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Las lentes gravitacionales pueden revelar galaxias antiguas y la naturaleza de la materia oscura

Imágenes de lentes gravitacionales de un sondeo AGEL. Las imágenes están centradas en la galaxia de primer plano e incluyen el nombre del objeto. Cada panel incluye la distancia confirmada a la galaxia de primer plano (zdef) y la galaxia de fondo lejana (zsrc). Crédito Kim-Vy H. Tran et al, 2022 (INGRESAR DOI)

A principios de este año, un algoritmo de aprendizaje automático identificó hasta 5000 lentes gravitacionales potenciales que podrían transformar nuestra capacidad para mapear la evolución de las galaxias desde el Big Bang.

Ahora, el astrónomo Kim-Vy Tran de ASTRO 3D y UNSW Sydney y sus colegas han evaluado 77 lentes utilizando el Observatorio Keck en Hawái y el Very Large Telescope en Chile. Ella y su equipo internacional confirmaron que 68 de los 77 lentes gravitacionales fuertes abarcan vastas distancias cósmicas.

Esta tasa de éxito del 88 por ciento indica que el algoritmo es fiable y que podemos obtener miles de nuevas lentes gravitacionales. Hasta ahora, las lentes gravitacionales han sido difíciles de encontrar y solo unas cien se usan de manera rutinaria.

El artículo de Kim-Vy Tran publicado hoy en Astronomical Journal proporciona una confirmación espectroscópica de lentes gravitacionales fuertes identificados previamente utilizando redes neuronales convolucionales, desarrolladas por el científico de datos Dr. Colin Jacobs en ASTRO 3D y la Universidad de Swinburne.

Este trabajo es parte de la encuesta ASTRO 3D Galaxy Evolution with Lenses (AGEL).

«Nuestra espectroscopia nos permitió mapear en 3D las lentes gravitacionales para mostrar que son auténticas y no solo una superposición de la casualidad», dice el autor correspondiente, el Dr. Tran, del Centro de Excelencia ARC para toda la astrofísica 3D (ASTRO3D) y la Universidad de New South. Gales (UNSW).

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«Nuestro objetivo con AGEL es confirmar espectralmente alrededor de 100 lentes gravitacionales observables fuertes de los hemisferios norte y sur durante todo el año», dice ella.

El documento es el resultado de una colaboración mundial con investigadores de Australia, Estados Unidos, Reino Unido y Chile.

El trabajo fue posible gracias al desarrollo del algoritmo para buscar ciertas firmas digitales.

«Con esto, podemos identificar varios miles de lentes en comparación con unos pocos», dice el Dr. Tran.

Las lentes gravitatorias fueron identificadas por primera vez como un fenómeno por Einstein, quien predijo que la luz se curva alrededor de objetos masivos en el espacio de la misma manera que la luz se curva a través de una lente.

Al hacerlo, amplía considerablemente las imágenes de las galaxias que de otro modo no podríamos ver.

Si bien ha sido utilizado por los astrónomos para observar galaxias distantes durante mucho tiempo, encontrar estas lupas cósmicas en primer lugar ha sido un shock y un fracaso.

«Estas lentes son muy pequeñas, por lo que si tiene imágenes borrosas, realmente no podrá detectarlas», dice el Dr. Tran.

Si bien estos lentes nos permiten ver cosas a millones de años luz de distancia con mayor claridad, también deberían permitirnos «ver» la materia oscura invisible que constituye la mayor parte del universo.

«Sabemos que la mayor parte de la masa es oscura», dice el Dr. Tran. «Sabemos que la masa desvía la luz, por lo que si podemos medir cuánta luz se desvía, entonces podemos inferir cuánta masa debería haber».

Tener tantas lentes gravitacionales a diferentes distancias también nos daría una imagen más completa de la línea de tiempo que se remonta aproximadamente al Big Bang.

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«Cuantos más lentes de aumento tenga, mayores serán las posibilidades de intentar escanear estos objetos distantes. Con suerte, podremos medir la demografía de las galaxias muy jóvenes», dice el Dr. Tran.

«Luego, en algún lugar entre esas primeras galaxias realmente tempranas y nosotros, está ocurriendo una gran cantidad de evolución, con regiones de formación de estrellas jóvenes que convierten el gas prístino en las primeras estrellas en el Sol, la Vía Láctea.

«Entonces, con estas lentes a diferentes distancias, podemos mirar diferentes puntos en la línea de tiempo cósmica para rastrear básicamente cómo cambian las cosas con el tiempo, entre las primeras galaxias y ahora».

El equipo del Dr. Tran abarcó todo el mundo, y cada grupo aportó diferentes conocimientos.

“Poder colaborar con personas, en diferentes universidades, fue fundamental, ya sea para configurar el proyecto en primer lugar o ahora para realizar un seguimiento de todos los comentarios de seguimiento”, dice.

Cada lente gravitacional es única y nos dice algo nuevo, dice el profesor Stuart Wyeth de la Universidad de Melbourne y director del Centro de Excelencia ARC para toda la astrofísica en 3D.

Además de ser objetos hermosos, las lentes gravitacionales brindan una ventana a cómo se distribuye la masa en galaxias demasiado lejanas para ser observadas por otras técnicas. Al ofrecer formas de usar los nuevos grandes conjuntos de datos del cielo para buscar muchas lentes gravitacionales nuevas, el equipo abre la oportunidad de aprender cómo las galaxias obtienen su masa, dice.

El profesor Karl Glazbrook de la Universidad de Swinburne, y codirector científico del Dr. Tran, elogió el trabajo anterior.

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El Dr. Colin Jacobs de Swinburne creó este algoritmo. Escanea decenas de millones de imágenes de galaxias para reducir la muestra a 5000. Nunca soñamos que la tasa de éxito sería tan alta”, dice.

«Ahora estamos obteniendo imágenes de estos lentes con el Telescopio Espacial Hubble, y van desde imágenes bastante caídas hasta imágenes tan extrañas que tomaría mucho esfuerzo encontrarlas».

El profesor asociado Tucker Jones de la Universidad de California, Davis, otro líder científico del artículo, describió la nueva muestra como «un gran paso adelante en el aprendizaje de cómo se han formado las galaxias a lo largo de la historia del universo».

«Estas galaxias tempranas generalmente se ven como manchas diminutas y nebulosas, pero la ampliación de la lente nos permite ver su estructura con mucha más precisión. Son objetivos ideales para nuestros telescopios más poderosos para brindarnos la mejor vista posible del universo primitivo. » él dice.

«Gracias al efecto de lente, podemos aprender cómo eran estas galaxias primordiales, de qué estaban hechas y cómo interactuaban con su entorno».

El estudio se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur, la Universidad Tecnológica de Swinburne, la Universidad Nacional de Australia, la Universidad de Curtin, la Universidad de Queensland en Australia, la Universidad de California, Davis, en los Estados Unidos, la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido y la Universidad de Chile.

El Centro ARC de Excelencia para Toda la Astrofísica en 3D (ASTRO 3D) es un centro de investigación de excelencia de $40 millones financiado por el Consejo Australiano de Investigación (ARC) y seis universidades australianas colaboradoras: la Universidad Nacional Australiana, la Universidad de Sydney, la Universidad de Melbourne, la Universidad Tecnológica de Swinburne y la Universidad de Australia Occidental, la Universidad de Curtin.