Un anillo de Einstein es un tipo extremadamente raro de objeto con efecto de lente gravitacional, predicho por primera vez por la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El efecto de lente gravitacional se produce cuando la inmensa gravedad de un objeto masivo en primer plano, como un cúmulo de galaxias o un agujero negro, curva el espacio-tiempo a su alrededor; la luz emitida por objetos más distantes, como galaxias o supernovas, que atraviesa este espacio-tiempo curvado, también aparece curvada desde nuestra perspectiva terrestre.
Este efecto también magnifica la luz del objeto que se está enfocando, como una lupa, lo que permite a los astrónomos estudiar objetos distantes con mayor detalle del habitual. La mayoría de los objetos con efecto de lente gravitacional forman arcos o anillos parciales alrededor del objeto en primer plano. Sin embargo, un verdadero anillo de Einstein forma un círculo completo alrededor de un objeto más cercano, lo cual solo es posible cuando el objeto distante, el objeto en primer plano y el observador están perfectamente alineados.
En un estudio publicado en la revista Nature Astronomy, los investigadores descubrieron un nuevo anillo de Einstein extrañamente circular, llamado JWST-ER1, como parte del estudio COSMOS-Web, un mapa detallado de más de 500.000 galaxias obtenido durante 200 horas de observaciones continuas por JWST.
El anillo de Einstein completo, JWST-ER1, es el objeto con lente gravitacional más distante jamás descubierto. NASA/Telescopio Espacial James Webb/van Dokkum et al.
JWST-ER1 se compone de dos partes: JWST-ER1g, una galaxia compacta que actúa como un objeto de lente en primer plano; y JWST-ER1r, luz procedente de una galaxia más distante que forma un anillo brillante. JWST-ER1g se encuentra a unos 17 000 millones de años luz de la Tierra, mientras que JWST-ER1r se encuentra a otros 4 000 millones de años luz más. Hasta ahora, el objeto de lente más lejano detectado se encontraba a unos 14 700 millones de años luz, según BigThink.com. (Si bien se estima que el universo tiene unos 13 700 millones de años, su constante expansión implica que la luz de los objetos más antiguos debe viajar mucho más lejos para llegar a nuestros telescopios).
Utilizando el anillo completo de JWST-ER1, los investigadores calcularon la masa de la galaxia con efecto lente, determinando cuánto deforma el espacio-tiempo a su alrededor. Esto demostró que la galaxia tiene una masa equivalente a unos 650 mil millones de soles, lo que la hace inusualmente densa para su tamaño. Parte de esta masa adicional podría explicarse por la materia oscura, la sustancia misteriosa e invisible que constituye aproximadamente el 85 % de toda la materia del universo. Aun así, los investigadores calcularon que es improbable que haya suficientes estrellas para explicar el resto de la masa de la galaxia.
«Se necesita masa adicional para explicar los resultados del efecto lente», pero aún no está claro cuál es esa masa, escriben los investigadores en su artículo.
Una colección de anillos de Einstein incompletos y casi perfectos, fotografiados por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA. Para obtener un círculo perfecto, el objeto de fondo, el objeto de primer plano y el observador deben estar perfectamente alineados. NASA
Se han descubierto antes otras galaxias igual de antiguas y densas, lo que sugiere que estas antiguas fábricas de estrellas tienen algo en común que las hace tan masivas. Una explicación es que estas galaxias contienen mucha más materia oscura de lo que se creía, mientras que otra teoría sugiere que podrían albergar más estrellas de baja masa en su interior que las galaxias más jóvenes. Sin embargo, se necesita más investigación para averiguarlo.
Este no es el primer anillo de Einstein auténtico descubierto por el JWST. En septiembre de 2022, un usuario de Reddit descubrió un anillo de luz perfectamente circular proveniente de la galaxia JO418, ubicada a unos 12 000 millones de años luz de la Tierra, proyectado alrededor de una galaxia más cercana. El JWST también utilizó lentes gravitacionales para capturar la estrella más distante jamás descubierta y una de las galaxias más antiguas del universo.
Este impresionante halo es el resultado de la luz de una galaxia distante que atraviesa el espacio-tiempo deformado que rodea otra galaxia alineada entre la fuente de luz distante y la Tierra. Esta imagen del Telescopio Espacial James Webb de 2022, creada por un astrónomo entusiasta en Reddit, es uno de los mejores ejemplos jamás capturados de este inusual fenómeno astronómico.
El anillo de luz en la nueva imagen proviene de la galaxia distante SPT-S J041839-4751.8 (o JO418 para abreviar), que se encuentra a unos 12 mil millones de años luz de la Tierra, lo que la convierte en una de las galaxias más antiguas del universo. JO418 está orientada directamente detrás de otra galaxia —la luz azul brillante en el centro del anillo—, cuya masa es tal que su atracción gravitatoria curva el espacio-tiempo a su alrededor. Cuando la luz de JO418 llega a la galaxia en primer plano, atraviesa este espacio-tiempo curvado. Desde la Tierra, parece que la luz se ha curvado alrededor de la galaxia, pero las ondas electromagnéticas que observamos han estado viajando en línea recta todo este tiempo.
Primer plano del anillo de Einstein JO418. Spaceguy44
Este extraño efecto es similar a la forma en que las lentes de cristal redirigen la luz. Al igual que las lupas, este fenómeno también hace que la luz de galaxias distantes parezca mucho más cercana de lo que realmente está. La única diferencia es que la lente está hecha de espacio-tiempo deformado por la gravedad en lugar de cristal. Por eso los investigadores llaman a este extraño efecto lente gravitacional. Albert Einstein predijo por primera vez el efecto lente gravitacional en 1912, cuando desarrolló su teoría de la relatividad.
El usuario de Reddit y astrónomo estudiante de posgrado Spaceguy44 publicó una imagen del anillo de Einstein JOS18 el 23 de agosto en el subreddit r/Astronomy. El astrónomo anónimo creó la imagen utilizando datos públicos del instrumento Mid-Infrared Imager (MIRI) del Telescopio Espacial James Webb.
«No podríamos ver J0418 si no fuera por la curvatura de la gravedad», escribió Spaceguy44 en Reddit. «Sin el efecto de lente, la galaxia probablemente se vería como la mayoría de las galaxias distantes: como una pequeña mancha de luz».
Un anillo de Einstein casi perfecto de la galaxia JO418. Spaceguy44
En 2020, investigadores descubrieron una galaxia distante al detectar lentes gravitacionales parciales utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile; informaron sobre su descubrimiento en un artículo publicado ese año en la revista Nature.
El 13 de agosto, Spaceguy44 publicó una imagen de JO418 utilizando datos recopilados por el instrumento NIRCam de Webb, pero la imagen original tenía una resolución mucho menor y el anillo de luz era menos visible, según ScienceAlert.
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El Telescopio Espacial Hubble de la NASA ha capturado imágenes de varios otros anillos de Einstein, incluyendo uno formado por la luz curvada de un cuásar. Sin embargo, ninguno de estos anillos de Einstein era tan completo ni nítido como el de la imagen de Reddit.
Los anillos de Einstein perfectamente redondos son extremadamente raros, ya que requieren que tanto las galaxias distantes como las cercanas estén perfectamente alineadas con el observador. Sin embargo, mejores sensores en el telescopio Webb deberían facilitar su detección en el futuro.
Un nuevo análisis de una galaxia inusualmente masiva pero compacta del Universo temprano muestra que la materia oscura interactúa consigo misma.
Formado tan solo 3.400 millones de años después del Big Bang, JWST-ER1 fue descubierto en octubre de 2023 en imágenes tomadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA. A más de 17.000 millones de años luz de la Tierra, JWST-ER1g es el ejemplo más lejano de un «anillo de Einstein» perfecto: un círculo de luz continuo alrededor de una galaxia causado por la curvatura de la luz de una galaxia distante e invisible debido a la masa de JWST-ER1, que deforma el espacio. La investigación se publicó en línea el 11 de abril de 2024 en The Astrophysical Journal Letters.
El espejismo cósmico no es sólo un bello espectáculo creado por la afortunada alineación de galaxias; también proporciona a los físicos una valiosa sonda para realizar mediciones independientes del modelo de la masa contenida dentro del radio del anillo.
Al calcular cuánto deforma el JWST-ER1g el espacio-tiempo a su alrededor, el equipo concluyó que la galaxia pesa aproximadamente 650 mil millones de soles, lo que la hace inusualmente densa para su tamaño. Al restar la masa estelar visible de la masa total estimada, los físicos pueden determinar qué proporción de la galaxia está compuesta de materia oscura, la sustancia invisible que se cree que constituye más del 80 % de toda la materia del universo.
La galaxia inusualmente densa JWST-ER1 y su anillo de Einstein, fotografiados por el telescopio espacial James Webb en 2023. P. van Dokkum et al.
A pesar de décadas de observaciones y una gran cantidad de evidencia indirecta, esta esquiva sustancia aún no se ha detectado directamente. En JWST-ER1g, el equipo descubrió que la materia oscura explica aproximadamente la mitad de la diferencia de masa, y que «es probable que se necesite masa adicional para explicar el efecto de lente», según un artículo publicado en 2023.
«El valor de la masa de materia oscura parece ser mayor de lo esperado», afirmó Hai-Bo Yu, profesor de física y astronomía de la Universidad de California, Riverside (UCR) y coautor del nuevo estudio. «Es desconcertante».
En el artículo, Yu y sus colegas sugieren que la densidad inusualmente alta de JWST-ER1g podría explicarse por una mayor población de estrellas de lo que se cree actualmente. Sin embargo, como señaló en la misma declaración Demao Kong, autor principal del estudio y de la Universidad de California en Riverside, el mecanismo de compresión por el cual la materia ordinaria —la que compone el gas y las estrellas— colapsa y se condensa en el halo de materia oscura de JWST-ER1g podría resultar en una mayor concentración de materia oscura en el mismo volumen, lo que resulta en una mayor densidad.
El halo de materia oscura, más denso en el centro de la galaxia, actúa como un pegamento gravitacional que impide que las galaxias en rotación se separen. Es más, los modelos que incluyen cierto tipo de materia oscura, cuyas partículas interactúan entre sí, «coinciden muy bien con las mediciones del JWST-ER1», según el nuevo estudio.
Los espejos del Telescopio Espacial James Webb están ensamblados. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett
Aún desconocemos qué es realmente la materia oscura. La evidencia observacional sugiere que se trata de un nuevo tipo de partícula, cuya existencia solo puede inferirse a partir de sus interacciones gravitacionales con la materia ordinaria. La materia oscura podría ser un solo tipo de partícula o un conjunto complejo de diferentes tipos, como en el caso de la materia ordinaria, que podría actuar en presencia de fuerzas adicionales, previamente desconocidas, exclusivas de la materia oscura.
En diciembre de 2023, Yu dirigió una simulación de la formación de estructuras que involucraban materia oscura autointeractuante y concluyó que dichas autointeracciones podrían explicar los halos de materia oscura extremadamente densos en algunas galaxias, así como las densidades misteriosamente bajas en otras, ambas de las cuales no se explican con la teoría predominante de la «materia oscura fría».
Los físicos esperan que el JWST pueda arrojar más luz sobre la materia oscura, por así decirlo. Las capacidades infrarrojas sin precedentes del telescopio le permiten observar el pasado a mayor profundidad que cualquier otro telescopio, y los próximos estudios de galaxias del universo primitivo podrían proporcionar pistas sobre las partículas de materia oscura y su comportamiento, afirmó Yu.
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