Hubble svela straordinarie lenti gravitazionali per guidare il prossimo telescopio spaziale Roman della NASA

Il Telescopio spaziale Hubble della NASA ha assemblato una nuova raccolta di spettacolari lenti gravitazionali—trucchi ottici naturali creati dalla gravità—che gli scienziati intendono usare come una roadmap per future scoperte con il prossimo Nancy Grace Roman Space Telescope dell’agenzia.

L’effetto di lente gravitazionale era stato previsto più di un secolo fa a partire dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. L’idea è semplice in linea di principio, ma potente nella pratica: un oggetto massiccio in primo piano, come una galassia o un ammasso di galassie, può piegare e amplificare la luce proveniente da una galassia molto più lontana alle sue spalle. Quando l’allineamento è quello giusto, la luce della galassia sullo sfondo viene stirata in archi luminosi e altre forme distorte attorno alla galassia più vicina, funzionando come un enorme “obiettivo” nello spazio e rivelando oggetti che altrimenti sarebbero troppo deboli o troppo lontani per essere studiati.

Le immagini di Hubble mettono in evidenza quanto vario possa apparire il lensing, anche quando gli ingredienti di base sono gli stessi. In questi sistemi, gli archi deformati si producono quando una galassia lontana sullo sfondo si allinea con precisione alla massa di una galassia in primo piano. A seconda della geometria e di come la massa è distribuita, la galassia di sfondo può apparire duplicata, spalmata in immagini multiple oppure avvolta in strutture quasi circolari.

Quella diversità non è solo estetica. Gli astronomi prevedono di utilizzare un ampio campione di lenti come queste per costruire dettagliati “modelli di lente”, ricostruzioni matematiche che collegano l’entità della distorsione nella galassia sullo sfondo alla massa totale—e alla sua distribuzione—nella galassia-lente in primo piano. Soprattutto, questi modelli possono sondare la materia oscura, il materiale invisibile che si ritiene costituisca la maggior parte della massa di una galassia. Poiché la materia oscura non emette luce, deve essere mappata indirettamente attraverso la sua influenza gravitazionale, e il lensing forte fornisce uno dei metodi più sensibili disponibili.

Hubble e Roman contribuiranno in modo complementare. Hubble osserva principalmente nelle lunghezze d’onda del visibile e dell’ultravioletto, con una certa capacità nell’infrarosso, offrendo viste eccezionalmente nitide di singoli bersagli. Roman, al contrario, osserverà soprattutto nell’infrarosso con una copertura anche nel visibile, ma su un campo visivo molto più ampio—ideale per panorami estesi in grado di catturare molte lenti in una sola volta. In altre parole, Hubble eccelle nell’ispezione ravvicinata, mentre Roman costruirà il grande campione statistico. Se Roman dovesse individuare una lente particolarmente interessante, Hubble potrà essere impiegato per osservazioni di follow-up, sfruttando i suoi punti di forza ad alta risoluzione nel visibile e nell’UV.

I ricercatori stanno anche cercando sottili “imperfezioni” negli archi prodotti dal lensing—piccole deviazioni che potrebbero tradire la trazione gravitazionale di sottostrutture altrimenti invisibili: grumi compatti di materia oscura all’interno dell’alone della galassia-lente. Rilevarli fornirebbe un test cruciale del modello della materia oscura fredda, che prevede molti di questi grumi con masse che vanno da circa un milione a un miliardo di Soli. Per confronto, l’alone complessivo di materia oscura della Via Lattea è stimato a circa 1,3 trilioni di masse solari.

Per prepararsi al flusso di immagini di Roman, il team mira a usare il set di lenti di Hubble per contribuire ad addestrare uno strumento di ricerca avanzato, una “super-intelligenza”, in grado di identificare in modo efficiente schemi di archi simili nei dati di Roman.

La galleria include anche configurazioni di lensing facilmente riconoscibili. Un esempio è un sistema “arco–controarco” in cui la galassia di fondo appare come una coppia di archi, ingranditi da due galassie in primo piano che agiscono congiuntamente. Un altro è un anello di Einstein, che si forma quando l’allineamento è così preciso — e la massa che produce il lensing sufficientemente simmetrica — che la galassia di fondo quasi circonda l’oggetto in primo piano. L’insieme comprende anche sistemi con lente quadrupla, in cui la galassia di fondo viene riprodotta quattro volte come punti sfumati attorno alla lente; in un caso, doppi nodi luminosi probabilmente segnalano intense regioni di formazione stellare.

Anche il colore offre indizi: archi tendenti al blu suggeriscono stelle più giovani, mentre archi più rossi rimandano a popolazioni stellari più antiche. Confrontare queste differenze con Hubble e Roman aiuterà gli scienziati a ricostruire come le galassie sono cambiate nelle fasi più antiche della storia cosmica.

Perché è importante

Questo dataset di Hubble è al tempo stesso una risorsa scientifica e una prova generale per le indagini sul lensing a grande campo di Roman, collegando gli scatti ravvicinati ad alta nitidezza di oggi al censimento cosmico di domani. Combinando la precisione di Hubble con la scala di Roman, gli astronomi sperano di affinare le misure della struttura della materia oscura e di verificare se i piccoli grumi previsti esistano davvero. Il prossimo punto da seguire è quanto efficacemente questi modelli di lente e gli strumenti di ricerca automatizzati si tradurranno nella visione dell’universo di Roman, molto più ampia e ricca di infrarosso.