Astrofísica: El Consorci Euclid té com a objectiu cartografiar l’univers fosc, és a dir l’energia fosca que alimenta l’acceleració de l’expansió de l’univers i la matèria fosca que promou l’agregació de supercúmuls galàctics. Un dels objectius que ha d’estudiar aquesta missió, consistent en un telescopi espacial situat en el punt L2 de l’òrbita heliocèntrica de la Terra, són les lents gravitacionals, és a dir l’efecte que una gran acumulació de matèria gravitatòria (essencialment, matèria fosca) té sobre la radiació electromagnètica que hi passa. Conor O’Riordan és l’autor corresponsal d’un article del Consorci Euclid que apareix avui a la revista Astronomy & Astrophysics en el que reporten la primera descoberta de la missió d’una lent gravitacional fortal, concretament la que condueix a la formació d’un anell d’Einstein complet al voltant de la galàxia el·líptica NGC 6505. Aquesta galàxia té un desplaçament al vermell de z = 0,042, un valor relativament baix que correspon a una distància de 179 megaparsecs. Dins de les galàxies del ‘Nou Catàleg General’ (NGC) és la primera de la qual es reporta una lent gravitacional forta. Atenent a la lluminositat de la galàxia (IE = 18,1 amb la lent, i de 21,3 sense la lent), la relativa proximitat i al caràcter complet de l’anell, O’Riordan et al. la qualifiquen com una lent forta excepcionalment rara. Al capdavall, abans de la missió Euclid, havia passat desapercebuda, malgrat que la galàxia ja havia estat catalogada el 27 de juny del 1884 per Lewis A. Swift. O’Riordan et al. aporten dades d’imatge profunda de la lent obtingudes amb la càmera de llum visible (VIS) i amb l’espectròmetre i fotòmetre d’infraroig proper (NISP) d’Euclid. També aporten una espectroscòpia resolta del Keck Cosmic Web Imager (KCWI). Les observacions d’Euclid mostren una lent gravitacional amb un senyal prou ben diferenciat del soroll de fons. Les dades de KCWI assenyalarien una valor de z per a la font de 0,406. L’instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) indica una velocitat de dispersió de la galàxia de 303 ± 15 km·s-1. L’estructura angular varia al llarg de l’anell. El radi d’Einstein de l’anell és de 2,5 segons d’arc, que es correspondria a 2,1 kiloparsecs. Aquest valor és relativament petit si el comparem amb el radi efectiu de la galàxia (que és de 12,3 segons d’arc). Dins del radi d’Einstein la fracció de matèria fosca seria de 11,1% (amb un marge de confiança entre 7,6% i 16,5%). La funció de massa inicial estel·lar del centre galàctic tindria un desplaçament a l’alça respecte del valor de Chabrier.
En el panell principal veiem una imatge que combina dades de llum visible i d’infraroig proper de la galàxia. En el quadre veiem una imatge de més alta resolució de la llum visible dels 8 segons d’arc centrals.
Lents gravitacionals fortes
En astronomia extragalàctica les lents gravitacionals fortes apareixen com la distorsió de la llum d’una galàxia distant per l’acció gravitatòria d’una galàxia que s’hi interposa. Hi ha una distorsió i alhora una magnificació de la llum de la galàxia del fons, de manera que hi veiem múltiples imatges de la mateixa galàxia. Quant aquesta font no apareix merament com un punt, i es troba angularment a prop del centre projectat de la lent s’hi forma l’estructura anomenada ‘anell d’Einstein’. És aquest un homenatge a la predicció que la teoria general de la relativitat feia sobre l’acció d’un camp gravitatori damunt de les radiacions electromagnètiques.
Els anells d’Einstein, i les lents gravitacionals en general, tenen diverses aplicacions en cosmologia. Si la font afectada varia amb el temps, és possible utilitzar la imatge rebuda per fer una determinació més precisa de la constant nt de Hubble i d’altres paràmetres cosmològics. També ens pot ajudar a inferir propietats de la matèria fosca, és a dir de la fracció de la matèria gravitatòria que no podem deduir de les emissions o absorcions de radiació electromagnètica. D’altra banda, aquests objectes poden servir per posar a prova la mateixa relativitat general. Per acabar-ho d’adobar, una lent gravitacional forta és veritablement un ‘telescopi còsmic’.
Com que sovint les galàxies que constitueixen una lent gravitacional són galàxies distants i, per la mateixa raó primerenques, pròpies d’una fase juvenil de l’univers, ja tenim ací una aplicació cosmològica. Estudiar una galàxia primerenca, però, passa primer per diferenciar entre el seu component de matèria fosca i el seu component de massa estel·lar. Per això s’han postulat funcions de massa inicial estel·lar IMF. L’evolució de les galàxies seguiria dues fases: en la primera es formen in situ les regions més internes, i més endavant l’acreció dona lloc a l’embolcall exterior.
Les lents gravitacionals degudes a galàxies properes poden ajudar a completar aquesta imatge. En aquest cas el radi d’Einstein abastaria únicament la regió central (i més massiva) de la galàxia. Així, en la lent hi dominaria la massa estel·lar en detriment de la matèria fosca. El primer exemple d’aquestes lents gravitacionals properes fou descobert en el 1985: J2237+0305. Des de llavors tan sols s’han reportat quatre casos més: J1343−3810, J2100−4225, J0141−0735 i J0403−0239.
Així doncs, NGC 6505 seria el sisè cas de lent gravitacional forta al voltant d’una galàxia relativament propera (z = 0,042). És remarcable el fet que aquesta galàxia ja aparegués en el catàleg de Swift del 1886. És una galàxia ben estudiada pel que fa a les emissions de raigs X i de radioones des dels anys 1990. Tot i amb tot, no ha estat fins a les observacions del telescopi espacial Euclid, llençat el juliol del 2023, que se n’ha descobert la lent gravitacional i l’anell d’Einstein.
L’objectiu científic principal d’Euclid és fer una estimacions més precises de paràmetres cosmològics a través de l’estudi de lents gravitacionals febles i de l’agregació de galàxies. Per això pentina una superfície del cel corresponent a 14000 graus sexagesimals quadrats. Fa 10 anys hom havia estimat que Euclid seria capaç de descobrir més de 100.000 lents gravitacionals forts.
Les dades
Fou Bruno Altieri qui descobrí aquesta lent gravitacional el setembre del 2023 mentre repassava dades inicials de la fase de verificació orientada a comprovar la contaminació per gel. L’anell d’Einstein era clarament visible en aquestes imatges, i fou confirmat amb observacions amb major enfocament. És pel seu descobridor que l’anomenen ‘lent d’Altieri’.
La galàxia NGC 6505 es troba en el camp nord profund de la missió Euclid, situada ben a la vora del límit del camp.
O’Riordan et al. han utilitzat observacions obtingudes per telescopis de la superfície terrestre per afinar la mesura fotomètrica de desplaçament al vermell. Els observatoris que participen en aquesta col·laboració UNIONS són el Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT)/Canada-France Imaging Survey (CFIS), el Pan-STARRS i el Subaru/Hyper Suprime-Cam.
O’Riordan et al. també utilitzen una espectroscòpia de la regió central de NGC 6505 obtinguda des de l’Observatori Keck, de Hawaii la nit del 31 de març del 2024.
També han recuperat l’espectre obtingut de NGC 6505 en el marc de la col·laboració DESI.
L’espectre de la galàxia-lent
O’Riordan et al. utilitzen l’espectre DEDI per extraure la cinemàtica d’estels de tipus espectral A, F, G i K. Així poden mesurar una velocitat central de dispersió de 303 ± 15 km·s-1.
D’acord amb les dades d’Euclid, de CFHT i de DESI, el desplaçament al vermell de la galàxia NGC 6505 seria de zd = 0,04243 ± 0,00003.
La regió central de 1,5 segons d’arc de NGC 6505 tindria una massa estel·lar corresponen a 2,51±0,06·1010 masses solars.
D’acord amb la modelització la galàxia NGC 6505 hauria anat declinant la formació d’estels, i fa uns 3.000 milions d’anys hauria començat una transició de 2.300 milions d’anys fins a esdevindre una galàxia quiescent en termes d’astrogènesi.
La distribució de llum de la galàxia-lent
O’Riordan et al. prenen la llum de galàxia des d’un quatre de 8 segons d’arc de costat. Detecten un gradient d’el·lipticitat positiva entre el centre de la galàxia i el radi d’Einstein. La massa galàctica total seria de 1,06±0.02×1011 M⊙.
El desplaçament al vermell de la font i de la lent
La galàxia-lent domina sobre el flux de la galàxia-font (que suposaria entre un 4% i un 20%). El desplaçament al vermell de la galàxia font seria de z = 0,4058 ± 0,003 d’acord amb les línies d’absorció Ca K, banda G, Mg I b i Na I D.
L’observació de la galàxia el 2 de desembre del 2023 a través de l’espectrògraf MISTRAL de l’Observatori de l’Alta Provença estimava una z molt superior, encara que aquesta estimació fou descartada d’acord amb les dades de l’Observatori Keck.
La modelització de la lent forta
La magnitud total de l’emissió fortament afectada per la lent seria de 18,1. L’emissió no afectada per la lent és molt inferior (21,3).
La proporció entre la massa estel·lar i la matèria fosca
La velocitat de dispersió de la galàxia recull la massa gravitacional total, que seria de 4,1·1013 masses solars. Ara bé, dins de l’anell d’Einstein dominaria la massa estel·lar amb una proporció propera al 90%.
L’impacte de la descoberta
O’Riordan et al. recorden que les lents gravitacionals properes, amb desplaçament al vermell baixos, són forçosament rares ja que el volum de l’univers proper és per fina força limitat. Per exemple, si fixem una z inferior a 0,05 només tindríem 2400 galàxies.
Una galàxia isotermal amb una z = 0,04 tan sols produiria una lent forta en 1 de cada 2000 casos. Així doncs és poc probable que Euclid trobi una lent gravitacional tan forta en una galàxia propera. Tot i amb tot, s’espera que Euclid multipliqui per cinc el nombre lents gravitacionals properes.
Quan hom tracta amb galàxies properes cal ser prudent en deduir la distància a partir del desplaçament al vermell, ja que cada galàxia pot tindre un moviment relatiu respecte del flux de Hubble. La velocitat radial de NGC 6505 és d’un allunyament de 1,3·104 km·s-1, i sembla que en un 3% aquest allunyament es degut a un moviment propi.
Lligams:
- Euclid: A complete Einstein ring in NGC 6505. C. M. O’Riordan, L. J. Oldham, A. Nersesian, T. Li, T. E. Collett, D. Sluse, B. Altieri, B. Clément, K. G. C. Vasan, S. Rhoades, Y. Chen, T. Jones, C. Adami, R. Gavazzi, S. Vegetti, D. M. Powell, J. A. Acevedo Barroso, I. T. Andika, R. Bhatawdekar, A. R. Cooray, G. Despali, J. M. Diego, L. R. Ecker, A. Galan, P. Gómez-Alvarez, L. Leuzzi, M. Meneghetti, R. B. Metcalf, M. Schirmer, S. Serjeant, C. Tortora, M. Vaccari, G. Vernardos, M. Walmsley, A. Amara, S. Andreon, N. Auricchio, H. Aussel, C. Baccigalupi, M. Baldi, A. Balestra, S. Bardelli, A. Basset, P. Battaglia, R. Bender, D. Bonino, E. Branchini, M. Brescia, J. Brinchmann, A. Caillat, S. Camera, V. Capobianco, C. Carbone, J. Carretero, S. Casas, F. J. Castander, M. Castellano, G. Castignani, S. Cavuoti, A. Cimatti, C. Colodro-Conde, G. Congedo, C. J. Conselice, L. Conversi, Y. Copin, L. Corcione, F. Courbin, H. M. Courtois, M. Cropper, A. Da Silva, H. Degaudenzi, G. De Lucia, A. M. Di Giorgio, J. Dinis, F. Dubath, C. A. J. Duncan, X. Dupac, S. Dusini, M. Farina, S. Farrens, F. Faustini, S. Ferriol, N. Fourmanoit, M. Frailis, E. Franceschi, M. Fumana, S. Galeotta, W. Gillard, B. Gillis, C. Giocoli, B. R. Granett, A. Grazian, F. Grupp, L. Guzzo, S. V. H. Haugan, J. Hoar, H. Hoekstra, W. Holmes, I. Hook, F. Hormuth, A. Hornstrup, P. Hudelot, K. Jahnke, M. Jhabvala, B. Joachimi, E. Keihänen, S. Kermiche, A. Kiessling, M. Kilbinger, R. Kohley, B. Kubik, M. Kümmel, M. Kunz, H. Kurki-Suonio, O. Lahav, R. Laureijs, D. Le Mignant, S. Ligori, P. B. Lilje, V. Lindholm, I. Lloro, G. Mainetti, E. Maiorano, O. Mansutti, O. Marggraf, K. Markovic, M. Martinelli, N. Martinet, F. Marulli, R. Massey, E. Medinaceli, S. Mei, M. Melchior, Y. Mellier, E. Merlin, G. Meylan, M. Moresco, L. Moscardini, R. Nakajima, R. C. Nichol, S.-M. Niemi, J. W. Nightingale, C. Padilla, S. Paltani, F. Pasian, K. Pedersen, W. J. Percival, V. Pettorino, S. Pires, G. Polenta, M. Poncet, L. A. Popa, L. Pozzetti, F. Raison, R. Rebolo, A. Renzi, J. Rhodes, G. Riccio, H.-W. Rix, E. Romelli, M. Roncarelli, E. Rossetti, B. Rusholme, R. Saglia, Z. Sakr, A. G. Sánchez, D. Sapone, B. Sartoris, P. Schneider, T. Schrabback, A. Secroun, G. Seidel, S. Serrano, C. Sirignano, G. Sirri, L. Stanco, J. Steinwagner, P. Tallada-Crespí, I. Tereno, R. Toledo-Moreo, F. Torradeflot, I. Tutusaus, L. Valenziano, T. Vassallo, G. Verdoes Kleijn, A. Veropalumbo, Y. Wang, J. Weller, A. Zacchei, G. Zamorani, E. Zucca, C. Burigana, P. Casenove, A. Mora, V. Scottez, M. Viel, M. Jauzac, and H. Dannerbauer. A&A, 694, A145 (2025).
- Euclid discovers a stunning Einstein ring, notícia a la pàgina web de l’Agència Espacial Europea.
- El llançament del telescopi espacial Euclid de l’Agència Espacial Europea. (Disponibilitat Permanent, 2 de juliol del 2023).
