Utilizzando il James Webb Space Telescope, gli scienziati hanno osservato per la prima volta un raro sistema di lensing gravitazionale multiplo soprannominato “zig-zag di Einstein”. Si tratta di un fenomeno unico in cui la curvatura dello spazio-tempo produce sei diverse immagini di uno stesso quasar distante circa 11 miliardi di anni luce, a causa dell’allineamento di due galassie massicce lungo la linea di vista.
Denominato J1721+8842, questo sistema rappresenta una rara opportunità per affrontare questioni fondamentali della cosmologia, come la natura dell’energia oscura e le discrepanze nelle misurazioni del tasso di espansione dell’Universo, la cosiddetta costante di Hubble.
La scoperta, predetta oltre un secolo fa dalla teoria della relatività generale di Einstein, mostra ancora una volta come i principi della fisica teorica trovino riscontro nelle osservazioni del cosmo.
La lente gravitazionale
La lente gravitazionale è un fenomeno che è stato predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein, e che nel corso degli ultimi decenni abbiamo largamente osservato nel cosmo.
Si verifica quando un oggetto massiccio, come una galassia o un ammasso di galassie, deforma lo spazio-tempo circostante, deviando la luce di un oggetto posto dietro di esso rispetto alla linea di vista dell’osservatore.
Questo processo quindi agisce come una lente naturale, amplificando la luce dell’oggetto più distante e permettendo agli astronomi di osservarlo con un dettaglio maggiore. E non solo, perché la luce proveniente da questa sorgente di sfondo può percorrere percorsi diversi attorno a una lente gravitazionale, avvicinandosi alla massa “lente” in primo piano a diverse distanze e curvandosi in quantità diverse.
Ciò significa che questa luce proveniente dalla stessa sorgente di sfondo può arrivare in momenti diversi allo stesso telescopio. Di conseguenza, un singolo corpo di emissione di luce di sfondo può apparire in più punti in una singola immagine. Questi oggetti possono formare disposizioni ad anello, dette “anelli di Einstein”, a croce, le “croci di Einstein” e, in questo caso attualmente unico, uno “zig-zag di Einstein”.
Nel caso di J1721+8842, infatti, l’allineamento quasi perfetto tra due galassie e un quasar lontano ha prodotto sei immagini distinte del quasar, un fenomeno eccezionalmente raro.
Un quasar moltiplicato sei volte dalla gravità
Il sistema J1721+8842 è un esempio straordinario di lente gravitazionale multipla. Le due galassie massicce in primo piano, rispettivamente a 2.3 e 10 miliardi di anni luce dalla Terra, si comportano come potenti lenti gravitazionali.
In realtà, il JWST non è stato il primo telescopio a individuare J1721+8842. Il quasar, che è composto da gas e polvere luminosi attorno a un buco nero supermassiccio che si alimenta, è stato individuato da Cameron Lemon nel 2017 utilizzando il Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS) presso l’Haleakala Observatory alle Hawaii.
Inizialmente, il quasar sembrava essere stato sottoposto a lente solo quattro volte. Tuttavia, la sensibilità del JWST ha rivelato che le due galassie stanno in realtà agendo come lente su questo quasar distante sei volte, con la galassia più distante in questa disposizione che viene anche sottoposta a lente dalla galassia più vicina.
La loro massa collettiva curva la luce del quasar, distante 11 miliardi di anni luce, creando sei immagini separate dello stesso oggetto. Questo tipo di configurazione è talmente raro che si stima si verifichi una volta ogni 50mila quasar moltiplicati dall’effetto lente. Proprio per questo, la scoperta rappresenta un’opportunità unica per approfondire lo studio di questo tipo di oggetti, della loro fisica e di quella dell’ambiente circostante.
Le implicazioni della scoperta
Questo particolare fenomeno non solo rivela ai nostri occhi oggetti altrimenti invisibili, ma permette anche di ottenere informazioni fondamentali sulle proprietà dell’Universo, dalla distribuzione della materia oscura alla natura dell’energia oscura. Proseguendo in questa direzione, il James Webb Space Telescope potrebbe rivelare ulteriori sistemi simili, ampliando ulteriormente la nostra comprensione di essi e del cosmo.
Oltre alla sua rarità geometrica, inoltre, il sistema “zig-zag di Einstein” offre un contributo importante alla cosmologia. Potrebbe infatti contribuire a risolvere la cosiddetta “crisi cosmologica”, legata alle divergenze nelle misurazioni del costante di Hubble, il tasso di espansione cosmica.
Grazie a questa configurazione, infatti, è possibile misurare simultaneamente diversi parametri cosmologici e le proprietà dell’energia oscura, che governa l’espansione accelerata dell’Universo. Il team guidato da Frédéric Dux, del Laboratorio di Astrofisica dell’EPFL, sta sviluppando nuovi modelli per ridurre le incertezze nelle misurazioni, fornendo dati più precisi sull’evoluzione cosmica.
Lo studio che descrive la scoperta è disponibile qui in versione pre-print.
