Olhar para o universo é como olhar no espelho de uma casa de diversões. Isso porque a gravidade distorce a estrutura do espaço, criando ilusões de ótica.

Muitas dessas ilusões de ótica aparecem quando a luz de uma galáxia distante é ampliada, esticado, e fica mais claro ao passar por uma galáxia massiva ou aglomerado de galáxias à sua frente. Este fenômeno, chamado de lente gravitacional, produz múltiplos, esticado, e imagens iluminadas da galáxia de fundo.

Este fenômeno permite aos astrônomos estudar galáxias tão distantes que não podem ser vistas a não ser pelos efeitos das lentes gravitacionais. O desafio é tentar reconstruir as galáxias distantes a partir das formas estranhas produzidas por lentes.

Mas os astrônomos usando o Telescópio Espacial Hubble encontraram uma forma estranha enquanto analisavam quasares, os núcleos ardentes de galáxias ativas. Eles avistaram dois brilhantes, objetos lineares que pareciam ser imagens espelhadas uns dos outros. Outro objeto estranho estava por perto.

As características confundiram tanto os astrônomos que levaram vários anos para desvendar o mistério. Com a ajuda de dois especialistas em lentes gravitacionais, os pesquisadores determinaram que os três objetos eram as imagens distorcidas de um distante, galáxia desconhecida. Mas a maior surpresa foi que os objetos lineares eram cópias exatas uns dos outros, uma ocorrência rara causada pelo alinhamento preciso da galáxia de fundo e do aglomerado de lentes de primeiro plano.

Astrônomos viram coisas muito estranhas espalhadas por nosso vasto universo, de estrelas em explosão a galáxias em colisão. Então, você pensaria que quando eles vissem um objeto celestial estranho, eles seriam capazes de identificá-lo.

Mas o telescópio espacial Hubble da NASA descobriu o que parece ser um par de objetos idênticos que parecem tão estranhos que os astrônomos levaram vários anos para determinar o que são.

"Ficamos realmente perplexos, "disse o astrônomo Timothy Hamilton, da Shawnee State University em Portsmouth, Ohio.

Os objetos estranhos consistem em um par de protuberâncias de galáxias (o centro de uma galáxia cheio de estrelas) e pelo menos três faixas divididas quase paralelas. Hamilton os avistou por acidente enquanto usava o Hubble para pesquisar uma coleção de quasares, os núcleos ardentes de galáxias ativas.

Depois de perseguir teorias sem saída, solicitando ajuda de colegas, e coçando muito a cabeça, Hamilton e a equipe em crescimento, liderado por Richard Griffiths da Universidade do Havaí em Hilo, finalmente reúna todas as pistas para resolver o mistério.

Os objetos lineares eram as imagens alongadas de uma galáxia distante com lentes gravitacionais, localizado a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância. E, eles pareciam ser imagens espelhadas um do outro.

A equipe descobriu que a imensa gravidade de uma intervenção, e não catalogado, aglomerado de galáxias em primeiro plano estava distorcendo o espaço, ampliando, iluminando, e esticando a imagem de uma galáxia distante atrás dela, um fenômeno chamado lentes gravitacionais. Embora as pesquisas do Hubble revelem muitas dessas distorções do espelho da casa de diversões causadas por lentes gravitacionais, esse objeto era extremamente desconcertante.

Nesse caso, um alinhamento preciso entre uma galáxia de fundo e um aglomerado de galáxias em primeiro plano produz cópias duplas ampliadas da mesma imagem da galáxia remota. Este fenômeno raro ocorre porque a galáxia de fundo se estende por uma ondulação no tecido do espaço. Esta "ondulação" é uma área de maior ampliação, causado pela gravidade de quantidades densas de matéria escura, a cola invisível que compõe a maior parte da massa do universo. Conforme a luz da galáxia distante passa pelo aglomerado ao longo desta ondulação, duas imagens espelhadas são produzidas, junto com uma terceira imagem que pode ser vista ao lado.

Griffiths compara esse efeito aos padrões de ondas brilhantes vistos no fundo de uma piscina. "Pense na superfície ondulada de uma piscina em um dia ensolarado, mostrando padrões de luz brilhante no fundo da piscina, "ele explicou." Esses padrões brilhantes na parte inferior são causados ​​por um tipo de efeito semelhante ao das lentes gravitacionais. As ondulações na superfície atuam como lentes parciais e focam a luz do sol em padrões brilhantes e ondulados na parte inferior. "

Na galáxia distante com lentes gravitacionais, a ondulação está ampliando muito e distorcendo a luz da galáxia de fundo que está passando pelo aglomerado. A ondulação atua como um espelho curvilíneo imperfeito que gera as cópias duplas.

Resolvendo o mistério

Mas esse fenômeno raro não era muito conhecido quando Hamilton avistou as estranhas características lineares em 2013.

Enquanto ele olhava as imagens do quasar, o instantâneo das imagens espelhadas e listras paralelas se destacou. Hamilton nunca tinha visto nada parecido antes, e nenhum dos outros membros da equipe.

"Meu primeiro pensamento foi que talvez eles estivessem interagindo com galáxias com braços esticados de forma maré, "Disse Hamilton." Realmente não se encaixou bem, mas eu não sabia mais o que pensar. "

Então, Hamilton e a equipe começaram sua busca para resolver o mistério dessas linhas retas tentadoras, mais tarde apelidado de Objeto de Hamilton para seu descobridor. Eles mostraram a estranha imagem para colegas em conferências de astronomia, que provocou uma variedade de respostas, de cordas cósmicas a nebulosas planetárias.

Mas então Griffiths, que não era membro da equipe original, ofereceu a explicação mais plausível quando Hamilton lhe mostrou a imagem em uma reunião da NASA em 2015. Era uma imagem ampliada e distorcida causada por um fenômeno de lente semelhante ao visto em imagens do Hubble de outros aglomerados de galáxias massivas que estão amplificando imagens de galáxias muito distantes . Griffiths confirmou essa ideia quando soube de um objeto linear semelhante em uma das pesquisas de cluster profundo do Hubble.

Os pesquisadores, Contudo, ainda tinha um problema. Eles não conseguiram identificar o agrupamento de lentes. Normalmente, astrônomos que estudam aglomerados de galáxias primeiro veem o aglomerado de primeiro plano que está causando a lente, e então encontre as imagens ampliadas de galáxias distantes dentro do aglomerado. Uma pesquisa das imagens do Sloan Digital Sky Survey revelou que um aglomerado de galáxias residia na mesma área que as imagens ampliadas, mas não apareceu em nenhuma pesquisa catalogada. No entanto, o fato de que as estranhas imagens estavam no centro de um aglomerado deixou claro para Griffiths que o aglomerado estava produzindo as imagens das lentes.

O próximo passo dos pesquisadores foi determinar se as três imagens com lentes estavam na mesma distância, e, portanto, eram todos os retratos distorcidos da mesma galáxia distante. Medidas espectroscópicas com os observatórios Gemini e W. M. Keck no Havaí ajudaram os pesquisadores a fazer essa confirmação, mostrando que as imagens das lentes eram de uma galáxia localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância.

A galáxia remota, com base na reconstrução da terceira imagem em lente, parece ser uma vantagem, espiral barrada em curso, formação de estrela desordenada.

Quase ao mesmo tempo que as observações espectroscópicas de Griffiths e alunos de graduação em Hilo, um grupo separado de pesquisadores em Chicago identificou o aglomerado e mediu sua distância usando dados de Sloan. O cluster reside a mais de 7 bilhões de anos-luz de distância.

Mas, com muito pouca informação sobre o cluster, A equipe de Griffiths ainda estava lutando para interpretar essas formas incomuns de lentes. "Esta lente gravitacional é muito diferente da maioria das lentes que foram estudadas antes pelo Hubble, particularmente na pesquisa Hubble Frontier Fields de clusters, "Griffiths explicou." Você não precisa ficar olhando para aqueles aglomerados por muito tempo para encontrar muitas lentes. Neste objeto, esta é a única lente que temos. E nós nem sabíamos sobre o cluster no início. "

Mapeando o invisível

Foi quando Griffiths chamou um especialista em teoria de lentes gravitacionais, Jenny Wagner, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha. Wagner estudou objetos semelhantes, e com o colega Nicolas Tessore, agora na Universidade de Manchester, na Inglaterra, desenvolveu software de computador para interpretar lentes únicas como esta. O software deles ajudou a equipe a descobrir como as três imagens em lente surgiram. Eles concluíram que a matéria escura ao redor das imagens alongadas tinha que ser distribuída "suavemente" no espaço em pequenas escalas.

"É ótimo que só precisamos de duas imagens em espelho para obter a escala de quão grudada ou não a matéria escura pode ser nessas posições, "Wagner disse." Aqui, não usamos nenhum modelo de lente. Nós apenas pegamos os observáveis ​​das múltiplas imagens e o fato de que elas podem ser transformadas umas nas outras. Eles podem ser dobrados um no outro pelo nosso método. Isso já nos dá uma ideia de quão lisa a matéria escura precisa ser nessas duas posições. "

Este resultado é importante, Griffiths disse, porque os astrônomos ainda não sabem o que é matéria escura, quase um século após sua descoberta. "Nós sabemos que é algum tipo de assunto, mas não temos ideia do que seja a partícula constituinte. Portanto, não sabemos como ele se comporta. Apenas sabemos que ele tem massa e está sujeito à gravidade. O significado dos limites de tamanho na aglomeração ou suavidade é que isso nos dá algumas pistas sobre o que a partícula pode ser. Quanto menor for a aglomeração de matéria escura, quanto mais massivas as partículas devem ter. "