La lente gravitacional del cúmulo galáctico SMACS J0723.3-7327 observada por los telescopios Hubble y Webb

Por Francisco R. Villatoro, el 12 julio, 2022. Categoría(s): Astronomía • Ciencia • Física • Noticias • Science ✎ 16

Ya estarás harto de disfrutar de la primera imagen científica del telescopio espacial James Webb (Eureka, 12 jul 2022). Esta imagen es la más profunda del cúmulo galáctico SMACS 0723, «en glorioso infrarrojo y riguroso falso color». Se observa claramente el efecto de lente gravitacional fuerte producido por el cúmulo. Quizás te preguntes si se ha publicado algún análisis de dicha lente gravitacional. Se han publicado dos análisis (2007 y 2010) anteriores a la imagen de Hubble y dos análisis posteriores (2022), el último aparecido hoy mismo en arXiv; además, se sabe que hay otros aún sin publicar. El último usa el método LTM (Light-Traces-Mass) dando como resultado la imagen la imagen de más arriba. Si la fuente está localizada a un desplazamiento al rojo de z = 1.45 se estima el radio de Einstein para la lente en θ = 14.5 ± 2″ y la masa dentro del área crítica en M = 3.42 ± 0.47 × 10¹⁴ masas solares; pero si la fuente estuviera a z = 2, se estima θ = 16.9 ± 2″ y M = 4.15 ± 0.58 × 10¹⁴ masas solares. Obviamente estas estimaciones serán ampliamente mejoradas tras el análisis de la nueva imagen del Webb.

La imagen de Webb se ha obtenido tras unas 12 horas y 30 minutos (efectivas) de exposición con la cámara NIRCam (Near-Infrared Camera) de infrarrojo cercano (efectivas porque en realidad fueron 6 horas y 15 minutos, o mejor, se tomaron tomas de unos 2 horas y 5 minutos en 6 filtros, de 2 en 2, que luego se superpusieron). La imagen de Hubble de SMACS0723-73 se obtuvo para el proyecto RELICS en varias exposiciones entre el 5 de marzo de 2017 y el 5 de julio de 2017; el tiempo total de exposición fue de 1200 segundos con el filtro F606W (Program ID 12166) y de 1440 segundos con el filtro F814W (Program ID 12884), totalizando 44 minutos. El tiempo total de observación en este campo fue mayor porque se estudió en detalle la supernova Yupana con los filtros F105W, F125W, F140W y F160W. Más información para los interesados en Dan Coe, Brett Salmon, …, Yuanyuan Su, «RELICS: Reionization Lensing Cluster Survey,» The Astrophysical Journal (ApJ) 884: 85 (14 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab412b, arXiv:1903.02002 [astro-ph.GA] (05 Mar 2019).

Los interesados disfrutarán de los artículos de Miriam Golubchik, Lukas J. Furtak, …, Adi Zitrin, «HST strong-lensing model for the first JWST galaxy cluster SMACS J0723.3-7327,» arXiv:2207.05007 [astro-ph.CO] (11 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.05007, y de Carter Fox, Guillaume Mahler, …, Juan D. Remolina González, «The Strongest Cluster Lenses: An Analysis of the Relation between Strong Gravitational Lensing Strength and the Physical Properties of Galaxy Clusters,» The Astrophysical Journal 928: 87 (29 Mar 2022), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac5024, arXiv:2104.05585 [astro-ph.CO] (12 Apr 2021).

Por cierto, a quien desee comparar las imágenes de Hubble y Webb bien alineadas con una barra de desplazamiento que muestra una o la otra, le recomiendo alucinar con «Webb vs Hubble – SMACS 0723 Galaxy Cluster» [web].

Esta figura muestra el mapa de densidad de masa proyectada del cúmulo obtenido por Carter Fox et al. (2022) usando el modelo Lenstool. Los círculos verdes corresponden a los radios 50 kpc y 200 kpc desde la galaxia más brillante del cúmulo. En celeste (cyan) se observa las líneas de magnificación |μ| ≥ 3, y en morado (magenta) se indica el radio efectivo de Einstein.

El nuevo resultado de Miriam Golubchik et al. muestra muchos detalles, como ilustra esta figura con el mapa de densidad de masa proyectada del cúmulo. En rigor, este tipo de mapas muestran la distribución de la materia oscura en el cúmulo (así, se podría decir que son una foto de la materia oscura). Con la resolución del Hubble la distribución de masa no muestra subestructuras significativas cerca del centro, donde se acumula la mayor densidad (la parte central de la lente muestra curvas que se parecen mucho a elipses). Obviamente, con la resolución de Webb se obtendrá un mapa de densidad de mayor resolución que podría mostrar pequeñas estructuras que se desvíen de la forma elíptica en la parte central. Así se obtendrá un mapa detallado de la distribución de materia oscura en este cúmulo. Quizás nos ofrezca información relevante a la hora de desarrollar modelos para la materia oscura, como, por ejemplo, una estimación de su autointeracción; si se logra se dará un paso de gigante hacia la compresión de la materia oscura.



16 Comentarios

  1. Una pregunta que se me ocurre, supongo que cualquier rayo de luz que viene desde el infinito y se aproxima al cúmulo que está entre el infinito y nosotros sufre un corrimiento gravitacional hacia el azúl, y luego, al dejar atrás el cúmulo, sufre un corrimiento gravitacional hacia el rojo.

    ¿Compensa uno exactamente el otro para que cuando llegue hasta nosotros la imagen de las galaxias que están detrás del cúmulo tengan el corrimiento hacia el rojo que deben de tener por su distancia a nosotros?

  2. Francis. Por qué no hay halos de materia oscura detectables en la Tierra. ¿Podría haberlos y eso confundir nuestras estimaciones de G o nuestra gravimetría del subsuelo?
    ¡Un abrazo!

    1. Caesar, la densidad de la materia oscura es muy baja; se estima que en el Sistema Solar toda la materia oscura contenida en una esfera con el radio de la órbita de Neptuno es menor que la masa de un asteroide (distribuida por toda la esfera). Así que la cantidad de materia oscura en la Tierra y en su órbita es despreciable, imposible de detectar con los medios actuales.

  3. El otro día leía una nota de prensa en la que unos investigadores explicaban que, tras evaluarlas, comprobaban como las teorías MOND predecían las curvas de rotación de las galaxias con mayor precisión que el modelo cosmológico de consenso, que incluye la materia oscura. Decían que esto era evidencia de que las teorías MOND explican mejor nuestro universo y la materia oscura es innecesaria, así que el modelo cosmológico de consenso es incorrecto. Pero creo que estas teorías no explican las lentes gravitacionales como la que se observa en la imagen. Hay alguna teoría MOND que las explique? Lo pregunto porque, aunque es dificil notar estas cosas en el lenguaje escrito, el autor de la nota (que si no recuerdo mal era el autor principal del estudio) comentaba con un tono de suficiencia los problemas de la materia oscura para explicar algunas velocidades estelares en las galaxias y como MOND lo «clavaba». O simplemente estaba obviando las lentes gravitacionales?

    1. Asmierno, la idea MOND (que no es una teoría) es una observación empírica: la mayoría de las galaxias tienen un halo de materia oscura con densidad aproximadamente constante, luego aparece una aceleración mínima con un valor aproximadamente constante. Este resultado empírico no se cumple en toda las galaxias, pero se cumple en casi todas las galaxias cercanas que se pueden estudiar con suficiente detalle.

      La idea MOND no funciona más allá de la escala galáctica, ni en la escala de cúmulos galácticos, ni en la escala de supercúmulos, ni en la escala de la web cósmica, ni a escala cosmológica. Tras más de 40 años de intentos de modificar la idea MOND para convertirla en una teoría (la más famosa es TeVeS, pero hay otras variantes), no se ha logrado que explique ninguna de dichas escalas. Así que sigue siendo una idea empírica (lo que en el siglo XIX se llamaba una ley empírica).

      El Modelo Cosmológico de Consenso ΛCDM describe a la perfección la escala cosmológica, la web cósmica, la escala de supercúmulos y empieza a tener problemas en la escala de cúmulos galácticos y por supuesto tiene muchos problemas en la escala galáctica. ¿Por qué? Porque es un modelo cosmológico para describir todo el universo observable. Que falle en la escala galáctica solo indica que no sabemos predecir la escala galáctica con un modelo cosmológico. Esto es normal y comprensible. Se está avanzando mucho, pero todavía falta mucho tiempo para que un modelo cosmológico pueda predecir la escala galáctica.

      La idea MOND funciona donde funciona y está descartado que llegue a funcionar donde no funciona pues tiene multitud de evidencias en contra. Todos los defensores serios de MOND afirman que fuera de la escala galáctica el modelo correcto es MOND con algún tipo materia oscura (cuyo efecto sería despreciable en la escala galáctica, pero que será relevante a todas las demás escalas, más relevante conforme más alejada esté la escala considerada de la escala galáctica). Si lees a alguien hablar de MOND afirmando que MOND elimina la necesidad de la materia oscura, deja de leer, pues no tiene ni idea sobre MOND, al menos sobre lo que todos los expertos en MOND afirman (incluyendo el propio Milgrom).

      En cuanto al autor de la pieza que comentas, no sé si lo sabes, pero es un joven que se acaba de apuntar a la idea MOND. De hecho, no le gusta lo que significan estas siglas y sugiere que significan Dinámica Milgromiana. Su artículo (te recomiendo leerlo) deja claro que está empezando en este área y que todavía no tiene claras las ideas que afirman todos los expertos en MOND. ¿Por qué su pieza esta generando tanta atención entre los lectores de este blog y los oyentes del podcast Coffee Break? Ni idea. Quizás a la gente le gusta apoyar a un joven que parece luchar contra viento y marea contra la evidencia científica.

  4. Muy buena explicación y aportación de documentación, en general, todo el mundo se ha hecho eco de las fotografías pero nadie aporta nada.. 👍👏👏

  5. Suscribo lo de Winters -aunque luego califco MI suscripción, mi texto, de poco relevante, ya que he repasado pocos lugares-. El caso es que Francis ha sido el primero que he visto entregar datos que, a mi parecer, es el asunto más brutal y variadamente divulgativo que se puede hacer con estas imágenes.

    Los ppales. implicados deberían soltar a mansalva imágenes interpretadas, teniendo en cuenta además que el contenido de las imágenes no es «plano» o monotema o repetitivo, sino lo contrario.

  6. A la derecha de la parte central de la imagen comparativa hay dos puntos que cambian de posicion, mientras que el resto de la imagen es plenamente coincidente.

    Se sabe por que cambian de posicion?

    1. JR, no sé a qué puntos te refieres. En cualquier caso, hasta donde yo puedo ver, todo lo que se observa en la imagen de Hubble aparece en la imagen de Webb, donde además aparecen nuevos objetos. Quizás confundes un par de puntos de un imagen con otros dos puntos de la otra. Te recomiendo usar un comparador de ambas imágenes usando una barra móvil; hay muchos, por ejemplo, http://www.nicholaseggleston.com/JamesWebbHubble/index.htm.

    2. Es una lente gravitacional que provoca la divergencia de la luz dw objetos que estan detras de un cuerpo masivo, así, ves el que hay «detras» y sin embargo no ves el que está «delante»..

    3. Supongo que ya lo sabrás, JR, pero por si acaso: Mark McCaughrean @markmccaughrean ha publicado en Twitter una comparación entre las imágenes de la Galaxia Rueda de Carro (Cartwheel Galaxy) del Webb (JWST, 2022) y del Hubble (HST, 1995). Se observan claramente cuatro estrellas que se han movido en los 27 años de diferencia entre ambas (¿paralaje?, ¿movimiento de la galaxia?, ¿movimiento propio?, a la vista de las imágenes no se puede saber el porqué). El GIF en full-size (1920 x 1080) en este tuit https://twitter.com/markmccaughrean/status/1555270157748011008 (pinchando abajo a la derecha en la imagen puedes ampliar el GIF hasta pantalla completa). ¡Qué lo disfrutes!

  7. Hola, gracias por tu atencion.

    Te adjunto una imagen completa para situar los puntos en cuestion.
    https://i.postimg.cc/8Px934vK/Opera-Instant-nea-2022-07-17-125950-www-nicholaseggleston-com.png

    Te adjunto otra con mayor detalle, me he dado cuenta que no son solo esos dos puntos (marcados en circulo amarillo), si no que los otros marcados en rojo tambien cambian su posicion, aunque de forma menos evidente, me llama la atencion que esten alineados. Algun defecto?
    https://i.postimg.cc/pL84tjY2/Opera-Instant-nea-2022-07-17-130200-www-nicholaseggleston-com2.png

    Me llama la atencion puesto que el resto de la imagen, hasta donde he podido ver, esta perfectamente alineada y es coincidente, salvo en estos puntos.

    1. JR, gracias, ya veo al punto al que te refieres. Mi primera impresión es que lo más seguro es que sea un problema de alineamiento entre las imágenes. Estas imágenes están alineadas a mano (tanto la de Nicholas como la mía). El cambio es tan pequeño que seguro que me parece debido a dicho alineamiento.

      En la imagen de mayor resolución disponible se ve que es una estrella (se observa el patrón de difracción que las distingue de las galaxias). La imagen de Hubble se tomó en 2017 y la de Webb en 2022. Quizás sea efecto de la paralaje en ese intervalo de 5 años de diferencia. Habría que buscar la estrella en un catálogo y determinar si sus coordenadas corresponden a las esperadas.

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