Pocas veces una imagen astronómica provoca una reacción inmediata de asombro entre expertos. Pero eso fue exactamente lo que ocurrió cuando el astrofísico teórico Charles Keeton recibió una imagen inusual de su colega Andrew Baker. En ella se veía lo que parecía ser una clásica configuración de lente gravitacional tipo Cruz de Einstein, pero con un elemento inesperado: una quinta imagen justo en el centro del patrón. “No se puede obtener una quinta imagen en el centro a menos que algo inusual esté ocurriendo con la masa que está curvando la luz”, explica Keeton.
Este descubrimiento, descrito en un artículo recientemente publicado en The Astrophysical Journal, ofrece mucho más que una curiosidad visual. El patrón observado no solo confirma la existencia de un fenómeno de lente gravitacional extremo, sino que también proporciona pruebas claras de la presencia de un gigantesco halo de materia oscura que no puede verse directamente. La clave está en esa quinta imagen central, puesto que su existencia no puede explicarse sin introducir una masa invisible adicional en los modelos, y esa masa, según los autores, es un halo de materia oscura de dimensiones colosales.
Una lente gravitacional excepcional
La galaxia lejana que protagoniza este fenómeno se llama HerS-3 y se encuentra a un redshift de z = 3,0607, lo que significa que su luz ha viajado más de 11.000 millones de años hasta llegar a nosotros. Esta galaxia, rica en polvo y en formación estelar, fue detectada en el marco del proyecto z-GAL, una ambiciosa campaña que busca identificar galaxias polvorientas en el universo primitivo mediante observaciones submilimétricas.
Durante las observaciones realizadas con NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) en los Alpes franceses y ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) en Chile, los investigadores encontraron que HerS-3 aparecía replicada cinco veces. Cuatro de esas imágenes formaban el característico patrón cruzado, pero la quinta —la más intrigante— se ubicaba en el centro del sistema. La separación angular entre las imágenes más distantes alcanzaba los 7,5 segundos de arco, lo que es inusualmente amplio para este tipo de configuraciones.
Los investigadores confirmaron que las cinco imágenes correspondían a la misma galaxia observando líneas moleculares idénticas en todas ellas. “Las cinco imágenes muestran una serie de líneas moleculares que tienen velocidades centrales similares, confirmando sin ambigüedad que comparten el mismo redshift”.
¿Qué es una formación tipo Cruz de Einstein?
Una formación tipo Cruz de Einstein es un fenómeno astronómico resultado de la lente gravitacional, un efecto predicho por Albert Einstein en el marco de la relatividad general. Ocurre cuando la luz de un objeto extremadamente lejano —como un cuásar o una galaxia— es desviada por la gravedad de una galaxia más cercana situada entre el objeto y la Tierra. Esta desviación curva la trayectoria de la luz, generando múltiples imágenes del mismo objeto en el cielo.
En una configuración particular, si el alineamiento es casi perfecto entre el objeto de fondo, la lente intermedia y el observador, la luz se curva de forma simétrica y produce cuatro imágenes distribuidas como los brazos de una cruzalrededor de la galaxia lente. Este patrón visual es lo que se conoce como Cruz de Einstein, aunque también se utiliza el término de forma más general para describir configuraciones similares.
El ejemplo más conocido de este fenómeno es Q2237+030, también llamada la Cruz de Einstein original, observada por primera vez en 1985. Sin embargo, otras formaciones similares pueden presentarse en distintas condiciones. La cruz observada en el caso de HerS-3 es una de estas: una estructura de cinco imágenes, cuatro periféricas y una central, que no corresponde al objeto original pero sí comparte su configuración general y origen físico. La particularidad en este caso es que la quinta imagen central es visible, algo extremadamente raro, y que revela la presencia de materia oscura invisible en el sistema lente.
El papel invisible de la materia oscura
Una lente gravitacional ocurre cuando la luz de una galaxia lejana se curva al pasar cerca de una concentración de masa muy grande —normalmente otra galaxia o grupo de galaxias— situada entre el objeto observado y la Tierra. Esa masa actúa como una “lente” que no solo deforma la luz, sino que también la multiplica, generando varias imágenes del mismo objeto.
En este caso, la lente es un grupo de cuatro galaxias situado aproximadamente a un redshift de z ≈ 1, que por sí solo no podía explicar las características de las cinco imágenes observadas. Los investigadores aplicaron modelos de lente gravitacional basados en las distribuciones de masa de esas galaxias visibles, pero ninguno lograba reproducir con precisión la posición, forma y orientación de las imágenes.
“Los modelos que solo incluían las cuatro galaxias visibles no pudieron reproducir las propiedades de HerS-3”, explican en el artículo. Solo al introducir una quinta masa invisible en el modelo —ubicada al sureste de la galaxia más brillante del grupo— lograron que los datos coincidieran con las observaciones. Esa masa, que no corresponde a ninguna galaxia visible, es interpretada como un halo de materia oscura.
Confirmaciones, predicciones y laboratorio natural
La importancia de este hallazgo no se limita a confirmar la presencia de materia oscura. El sistema HerS-3 representa un entorno ideal para estudiar tanto la galaxia lejana como la estructura invisible que actúa como lente. “Este sistema es como un laboratorio natural”, señaló uno de los autores en declaraciones a medios especializados, refiriéndose a la posibilidad de analizar en detalle el gas, el polvo y la dinámica de una galaxia del universo primitivo.
Los investigadores han detectado también líneas de absorción desplazadas al azul en las cinco imágenes, lo que indica la existencia de un fuerte flujo de gas saliendo de la galaxia, posiblemente impulsado por la intensa formación estelar. Además, han predicho que se podrían observar filamentos adicionales de gas si el flujo de salida atraviesa las caústicas gravitacionales, lo que permitiría refinar aún más los modelos.
Tal como escriben en el artículo: “Si el flujo de salida de HerS-3 supera 1 kpc, se crearán imágenes arqueadas adicionales entre las galaxias G2 y G3”. Esta predicción ofrece una oportunidad de validación futura. Si nuevas observaciones confirman la existencia de esa imagen adicional, reforzará el modelo actual. Si no aparece, se tendrá que reconsiderar la estructura del halo de materia oscura o la dinámica interna de la galaxia fuente.
Una galaxia lejana bajo la lupa gravitacional
Gracias al efecto de lente gravitacional, los astrónomos han podido reconstruir la forma de HerS-3 en el plano de origen, es decir, tal como sería vista sin distorsiones. Lo que encontraron fue una galaxia vista casi de canto, con una estructura alargada y un núcleo muy activo. Esta morfología, junto con los datos espectroscópicos, indica que se trata de una galaxia en plena fase de estallido estelar, con tasas de formación de estrellas que multiplican por diez o más las de la Vía Láctea actual.
El equipo ha estimado que, una vez corregido por el efecto de amplificación gravitacional, la galaxia HerS-3 tiene una masa de gas molecular de aproximadamente 7 × 10¹⁰ masas solares, y una luminosidad infrarroja total que sugiere una tasa de formación estelar del orden de 455 masas solares por año. Estos datos colocan a HerS-3 entre las galaxias más activas del universo temprano.
Uno de los hallazgos más interesantes es que las líneas de absorción observadas en las cinco imágenes están todas desplazadas hacia el azul, lo que indica que el gas se está alejando rápidamente del núcleo galáctico. Se interpreta que esto es consecuencia de vientos generados por la formación estelar intensa, que podrían estar evacuando gas del centro de la galaxia a velocidades superiores a los 350 km/s.
Implicaciones para la cosmología y la física de la materia oscura
Los modelos de lente utilizados en este estudio contemplan dos tipos de perfiles de masa para el halo invisible: uno con núcleo suave (cored isothermal) y otro tipo Navarro–Frenk–White (NFW), ambos ampliamente utilizados en cosmología. Los resultados fueron compatibles con ambos modelos, aunque con diferencias en los detalles internos del halo.
Uno de los puntos destacados del análisis es que la masa del halo oscila entre 10¹² y 10¹³ masas solares, una cantidad enorme que representa varias veces la masa total de todas las galaxias visibles del grupo lente. Este desajuste refuerza la idea de que la mayor parte de la masa en el universo está compuesta por materia oscura, y que esta juega un papel crucial en la formación de estructuras a gran escala.
Además, la configuración del sistema ofrece una posibilidad única para medir retrasos temporales entre las distintas imágenes si se detectara una supernova o una variabilidad intrínseca en la galaxia. Las diferencias de tiempo de llegada de la luz entre las imágenes permitirían calcular la constante de Hubble con precisión, como ya se ha hecho en otros sistemas similares.
Referencias
- Cox, P., Butler, K. M., Keeton, C. R., Eid, L., Borsato, E., et al. HerS-3: An Exceptional Einstein Cross Reveals a Massive Dark Matter Halo. The Astrophysical Journal, 991:53 (2025). https://doi.org/10.3847/1538-4357/adf204.
Cortesía de Muy Interesante
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