La lente gravitacional se ha convertido en una herramienta vital para los astrónomos, permitiéndoles observar objetos demasiado distantes o débiles (o ambos) para ser resueltos con los instrumentos actuales. Este método se basa en una predicción de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que establece que los objetos masivos alteran la curvatura del espacio-tiempo. Cuando una «lente» se interpone en el camino, su campo gravitatorio dobla y amplifica la luz proveniente de objetos más lejanos. En un estudio reciente, un equipo de astrónomos utilizó una combinación de telescopios terrestres para descubrir la primera supernova con lente gravitacional espacialmente resuelta.
Ubicada a 10 mil millones de años luz de la Tierra, esta supernova, SN 2025wny, explotó cuando el Universo tenía solo 4 mil millones de años. Ordinariamente, una supernova a esta distancia sería demasiado tenue para los observatorios terrestres, pero la presencia de dos lentes gravitacionales impulsó exponencialmente su brillo. Observar este objeto recientemente explotado proporciona a los astrónomos una visión poco común de una supernova que ocurrió en el Universo temprano. El descubrimiento también proporciona una confirmación adicional de la Relatividad General, que ha sido confirmada en los escenarios más extremos.
La investigación fue liderada por Joel Johansson, investigador del Oskar Klein Centre de la Universidad de Estocolmo (OKC-SU). Se unieron colegas del OKC-SU, el California Institute of Technology (Caltech), el Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), el DIRAC Institute, el Institute of Gravitational Wave Astronomy, el Excellence Cluster ORIGINS center, el McWilliams Center for Cosmology and Astrophysics, el NSF-Simons AI Institute for the Sky (SkAI) y múltiples universidades.
El descubrimiento se basó en observaciones de vanguardia realizadas por múltiples telescopios. Esto incluyó la Zwicky Transient Facility (ZTF) en el Observatorio Palomar de California, que detectó por primera vez la explosión mientras monitoreaba el cielo nocturno. El Nordic Optical Telescope (NOT) en el Observatorio de La Palma proporcionó la espectroscopía temprana del evento transitorio, mientras que el Liverpool Telescope (LT) proporcionó cuatro imágenes separadas de SN 2025wny. Finalmente, el Observatorio Keck proporcionó los espectros que confirmaron la clasificación (Tipo I) y la extrema distancia de SN 2025wny.
Como señalan los autores, la presencia de dos galaxias en primer plano en este estudio aumentó el brillo de la supernova en un factor de 50 y la dividió en imágenes espacialmente separadas. Este es un fenómeno común con la lente gravitacional, donde la curvatura del espacio-tiempo alrededor de la «lente» hace que la luz se distribuya en diferentes patrones, dependiendo de la alineación. Cuando la lente y el objeto están perfectamente alineados, resulta un «Anillo de Einstein», mientras que otras alineaciones pueden conducir a hasta cuatro imágenes distintas conocidas como una «Cruz de Einstein».
«Esta es la propia lupa de la naturaleza», dijo Johansson en un comunicado de prensa de la Universidad de Estocolmo. «La ampliación nos permite estudiar una supernova a una distancia donde las observaciones detalladas serían imposibles de otro modo». Además de estudiar objetos distantes, los científicos utilizan lentes gravitacionales para sondear los misterios sin resolver del cosmos. Esto incluye medir la distribución de Materia Oscura, la misteriosa materia invisible que constituye el 85% de la masa del Universo, y la igualmente misteriosa Constante de Hubble.
Nombrada en honor a Edwin Hubble, quien confirmó que el Universo estaba en un estado de expansión en 1929, la Constante de Hubble es la tasa medida a la que se está expandiendo. Durante décadas, los científicos han trabajado para restringir la Constante midiendo distancias cósmicas a diferentes escalas. Para ello, se basan en diferentes métodos dependiendo de las distancias involucradas, conocidos colectivamente como la Escala de Distancias Cósmicas. El único problema es que, dependiendo del método, la tasa de expansión medida difiere, es decir, están en «tensión» entre sí.
Con imágenes espacialmente separadas, la luz sigue diferentes caminos alrededor de la galaxia interpuesta y llega en diferentes momentos. Medir estos retrasos proporciona a los astrónomos una forma independiente de determinar la Constante de Hubble. «Una supernova con lente con múltiples imágenes bien resueltas proporciona una de las formas más limpias de medir la tasa de expansión del Universo», dijo Ariel Goobar, coautor y también investigador del OKC-SU. «SN 2025wny es un paso importante para resolver uno de los desafíos más importantes de la cosmología».
Utilizando el Espectrómetro de Imágenes de Baja Resolución (LRIS) de Keck, el equipo examinó cada imagen de la supernova y las galaxias que actuaban como lente. Los espectros resultantes revelaron la presencia de elementos químicos (carbono, hierro y silicio), que proporcionaron estimaciones precisas de su corrimiento al rojo y su naturaleza. «El espectro obtenido con LRIS proporciona la medición más convincente de su distancia/corrimiento al rojo y determinó su clasificación como una supernova superluminosa, que es una subclase rara», dijo Yu-Jing Qin, investigador de Caltech, quien dirigió las observaciones con LRIS. «Estábamos realmente impresionados con la calidad de los datos y estamos llevando a cabo observaciones adicionales utilizando otros instrumentos de Keck».
Como señalan los autores, la presencia de dos galaxias en primer plano en este estudio aumentó el brillo de la supernova en un factor de 50 y la dividió en imágenes espacialmente separadas. Este es un fenómeno común con la lente gravitacional, donde la curvatura del espacio-tiempo alrededor de la «lente» hace que la luz se distribuya en diferentes patrones, dependiendo de la alineación. Cuando la lente y el objeto están perfectamente alineados, se formará un «Anillo de Einstein», mientras que otras alineaciones pueden conducir a hasta cuatro imágenes distintas conocidas como una «Cruz de Einstein».
«Esta es la propia lupa de la naturaleza», dijo Johansson en un comunicado de prensa de la Universidad de Estocolmo. «La ampliación nos permite estudiar una supernova a una distancia donde las observaciones detalladas serían imposibles de otro modo». Además de estudiar objetos distantes, los científicos utilizan lentes gravitacionales para sondear los misterios sin resolver del cosmos. Esto incluye medir la distribución de Materia Oscura, la misteriosa materia invisible que constituye el 85% de la masa del Universo, y la igualmente misteriosa Constante de Hubble.
The eight gravitational lensing systems discussed in the paper to calculate the Hubble Constant. Credit: TDCOSMO Collaboration et al.
Nombrada en honor a Edwin Hubble, quien confirmó que el Universo estaba en un estado de expansión en 1929, la Constante de Hubble es la tasa medida a la que se está expandiendo. Durante décadas, los científicos han trabajado para restringir la Constante midiendo distancias cósmicas a diferentes escalas. Para ello, se basan en diferentes métodos dependiendo de las distancias involucradas, conocidos colectivamente como la Escala de Distancias Cósmicas. El único problema es que, dependiendo del método, la tasa de expansión medida difiere, es decir, están en «tensión» entre sí.
Con imágenes espacialmente separadas, la luz sigue diferentes caminos alrededor de la galaxia interpuesta y llega en diferentes momentos. Medir estos retrasos proporciona a los astrónomos una forma independiente de determinar la Constante de Hubble. «Una supernova con lente con múltiples imágenes bien resueltas proporciona una de las formas más limpias de medir la tasa de expansión del Universo», dijo Ariel Goobar, coautor y también investigador del OKC-SU. «SN 2025wny es un paso importante para resolver uno de los desafíos más importantes de la cosmología».
El descubrimiento de SN 2025wny demuestra que las supernovas con lente gravitacional fuerte a distancias considerables pueden ser observadas con los instrumentos actuales. Esto proporciona una prueba de concepto crucial para la Legacy Survey of Space and Time (LSST) planificada por el Observatorio Vera C. Rubin, que se espera que descubra cientos de supernovas. Ya se han planificado observaciones de seguimiento utilizando Hubble y Webb para estudiar las imágenes más a fondo, medir los retrasos de tiempo con mayor precisión y refinar el modelo de lente gravitacional.
Para más información: Observatorio W.M. Keck, arXiv
