Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT ( Very Large Telescope) de ESO, en Chile, y el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, un equipo de astrónomos ha realizado la prueba más precisa hecha hasta el momento de la teoría general de la relatividad de Einstein fuera de la Vía Láctea. La cercana galaxia ESO 325-G004 actúa como una fuerte lente gravitacional, distorsionando la luz que proviene de una galaxia lejana que se encuentra detrás de ella y creando un anillo de Einstein alrededor de su centro. Comparando la masa de ESO 325-G004 con la curvatura del espacio a su alrededor, los astrónomos descubrieron que la gravedad a estas escalas de distancias astronómicas se comporta según lo predicho por la relatividad general. Esto descarta algunas teorías alternativas de la gravedad.
Dos métodos para medir la masa de una galaxia
Esta infografía compara los dos métodos utilizados para medir la masa de la galaxia ESO 325-G004. El primer método ha utilizado el Very Large Telescope para medir las velocidades de las estrellas de ESO 325-G004. El segundo método ha utilizado el Telescopio Espacial Hubble para observar un anillo de Einstein causado por la luz de una galaxia de fondo que ha sido doblada y distorsionada por ESO 325-G004. Comparando estos dos métodos para medir la fuerza de la gravedad de ESO 325-G004, se ha determinado que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona a escala extragaláctica — algo que no había sido probado previamente.Crédito:
ESO, ESA/Hubble, NASA
Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT de ESO, un equipo dirigido por Thomas Collett, de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) calculó primero la masa de ESO 325-G004 midiendo el movimiento de las estrellas de esta galaxia elíptica cercana.
Collett explica: “Se utilizaron datos del VLT (Very Large Telescope) de Chile para medir cuán rápido se movían las estrellas de ESO 325-G004. Esto permitió inferir cuánta masa debe haber en la galaxia para mantener estas estrellas en órbita”.
Pero el equipo también pudo medir otro aspecto de la gravedad. Usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, observaron un anillo de Einstein resultante de la distorsión ejercida por ESO 325-G004 en la luz procedente de una galaxia distante. Observando el anillo, los astrónomos pudieron medir cómo la luz (y, por tanto, el espacio-tiempo), se desvían por la enorme masa de ESO 325-G004.
La teoría de la relatividad general de Einstein predice que los objetos deforman el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que cualquier luz que pase cerca sea desviada. El resultado es un fenómeno conocido como lente gravitacional. Este efecto sólo es perceptible con objetos muy masivos. Se conocen unas cien lentes gravitacionales fuertes, pero la mayoría están demasiado lejos como para poder medir con precisión su masa. Sin embargo, la galaxia ESO 325-G004 es una de las lentes más cercanas, a apenas 450 millones de años luz de la Tierra.
Collett continúa: “Gracias a MUSE, conocemos la masa de la galaxia en primer plano y, gracias a Hubble, hemos medido la cantidad del efecto de lente gravitacional que vemos. Luego, comparamos estas dos maneras de medir la fuerza de la gravedad y el resultado es justo lo que predice la relatividad general con una incertidumbre de sólo un nueve por ciento. Esta es la prueba más precisa de la relatividad general fuera de la Vía Láctea realizada hasta la fecha. ¡Y utilizando una sola galaxia!”.
La relatividad general ha sido puesta a prueba con exquisita precisión a escalas del Sistema Solar, y se han estudiado con mucho detalle los movimientos de estrellas alrededor del agujero negro del centro de la Vía Láctea, pero previamente no se habían hecho pruebas tan precisas a escalas astronómicas más grandes. Probar las propiedades de largo alcance de la gravedad es de vital importancia para validar nuestro modelo cosmológico actual.
Estos hallazgos pueden tener importantes implicaciones para los modelos de gravedad alternativos a la relatividad general. Estas teorías alternativas predicen que los efectos de la gravedad en la curvatura del espacio-tiempo “dependen de la escala”. Esto significa que la gravedad debería comportarse de manera diferente a escala de grandes distancias astronómicas con respecto a las escalas más pequeñas del Sistema Solar. Collett y su equipo han descubierto que es poco probable que esto sea así, a menos que estas diferencias sólo se produzcan a escalas de distancias de más de 6000 años luz.
Diagrama del efecto de lente gravitatoria en galaxias distantes con formación estelar
Collett explica: “Se utilizaron datos del VLT (Very Large Telescope) de Chile para medir cuán rápido se movían las estrellas de ESO 325-G004. Esto permitió inferir cuánta masa debe haber en la galaxia para mantener estas estrellas en órbita”.
Pero el equipo también pudo medir otro aspecto de la gravedad. Usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, observaron un anillo de Einstein resultante de la distorsión ejercida por ESO 325-G004 en la luz procedente de una galaxia distante. Observando el anillo, los astrónomos pudieron medir cómo la luz (y, por tanto, el espacio-tiempo), se desvían por la enorme masa de ESO 325-G004.
La teoría de la relatividad general de Einstein predice que los objetos deforman el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que cualquier luz que pase cerca sea desviada. El resultado es un fenómeno conocido como lente gravitacional. Este efecto sólo es perceptible con objetos muy masivos. Se conocen unas cien lentes gravitacionales fuertes, pero la mayoría están demasiado lejos como para poder medir con precisión su masa. Sin embargo, la galaxia ESO 325-G004 es una de las lentes más cercanas, a apenas 450 millones de años luz de la Tierra.
Collett continúa: “Gracias a MUSE, conocemos la masa de la galaxia en primer plano y, gracias a Hubble, hemos medido la cantidad del efecto de lente gravitacional que vemos. Luego, comparamos estas dos maneras de medir la fuerza de la gravedad y el resultado es justo lo que predice la relatividad general con una incertidumbre de sólo un nueve por ciento. Esta es la prueba más precisa de la relatividad general fuera de la Vía Láctea realizada hasta la fecha. ¡Y utilizando una sola galaxia!”.
La relatividad general ha sido puesta a prueba con exquisita precisión a escalas del Sistema Solar, y se han estudiado con mucho detalle los movimientos de estrellas alrededor del agujero negro del centro de la Vía Láctea, pero previamente no se habían hecho pruebas tan precisas a escalas astronómicas más grandes. Probar las propiedades de largo alcance de la gravedad es de vital importancia para validar nuestro modelo cosmológico actual.
Estos hallazgos pueden tener importantes implicaciones para los modelos de gravedad alternativos a la relatividad general. Estas teorías alternativas predicen que los efectos de la gravedad en la curvatura del espacio-tiempo “dependen de la escala”. Esto significa que la gravedad debería comportarse de manera diferente a escala de grandes distancias astronómicas con respecto a las escalas más pequeñas del Sistema Solar. Collett y su equipo han descubierto que es poco probable que esto sea así, a menos que estas diferencias sólo se produzcan a escalas de distancias de más de 6000 años luz.
“El universo es un lugar increíble que nos proporciona esas lentes que podemos usar como laboratorios”, añade el miembro del equipo Bob Nichol, de la Universidad de Portsmouth. “Es muy satisfactorio utilizar los mejores telescopios del mundo con el objetivo de desafiar a Einstein y averiguar, al final, cuánta razón tenía”.
Diagrama del efecto de lente gravitatoria en galaxias distantes con formación estelar
Este diagrama muestra cómo la luz de galaxias distantes se distorsiona por el efecto gravitatorio de una galaxia más cercana a nosotros, que actúa como una lente y hace que la fuente alejada aparezca distorsionada, pero más brillante, formando característicos anillos de luz, conocidos como anillos de Einstein. Un análisis de la distorsión ha revelado que algunas de las galaxias distantes con formación estelar son tan brillantes como 40 millones de millones de Soles, y han sido aumentadas por la lente gravitatoria más de 22 veces.Crédito:
ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.
ESO
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