Il Telescopio Spaziale James Webb ha recentemente rivelato un fenomeno straordinario nella cosmologia: il primo “zig-zag di Einstein”, un’immagine di un quasar ripetuta sei volte in un’unica visualizzazione. Questa disposizione è il risultato di un effetto chiamato “lenti gravitazionali”, un concetto proposto per la prima volta da Albert Einstein nel 1915, che rappresenta una risorsa preziosa per affrontare attuali questioni nella cosmologia. Il sistema J1721+8842 è composto da un quasar — il nucleo galattico estremamente luminoso — lensato da due galassie distanti, ma perfettamente allineate. Questa osservazione non solo è eccezionalmente rara e rappresenta un affascinante esempio di fenomeno cosmico che piega lo spaziotempo, ma offre anche capacità di analisi superiori rispetto alle tradizionali lenti gravitazionali.

Il primo zig-zag di Einstein osservato dall’umanità potrebbe fornire indizi riguardo a due tra i misteri più profondi della cosmologia. Il primo riguarda la natura dell’energia oscura, la forza che guida l’accelerazione dell’espansione dell’universo, che rappresenta circa il 70% dell’energia e della materia cosmica. Il secondo mistero riguarda una disparità che gli scienziati hanno riscontrato nel misurare il valore della costante di Hubble, la quale descrive la velocità di espansione dell’universo. “Siamo entusiasti, non solo per il fatto che questo sia un fenomeno naturale affascinante, ma anche perché questo sistema offre enormi potenzialità per la misurazione dei parametri cosmologici,” è stato affermato un membro del team di scoperta. “Questo sistema di lenti offre l’opportunità di porre vincoli rigorosi sia sulla costante di Hubble che sull’equazione di stato dell’energia oscura, un obiettivo solitamente molto difficile da raggiungere.”

Cos’è una lente gravitazionale?

Secondo la relatività generale, gli oggetti con massa causano una curvatura nel tessuto stesso dello spaziotempo, che è trattato come un’unica entità. Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore sarà la “depressione” creata nello spaziotempo. Poiché la gravità ha origine da questa curvatura, un maggiore massiccio genera un’influenza gravitazionale più forte.

Lenti gravitazionali si formano quando la luce di una sorgente sullo sfondo passa accanto a un corpo massiccio che funge da lente, seguendo la curvatura risultante nello spazio e causando la propria deviazione. La luce di una sorgente di sfondo, quindi, segue percorsi diversi intorno a una lente gravitazionale, avvicinandosi a masse lensanti a distanze variabili e curvandosi in modi diversi. Di conseguenza, una stessa sorgente luminosa può apparire in più luoghi in un’unica immagine, creando configurazioni uniche come anelli di Einstein, croci di Einstein e, come nel caso attuale, zig-zag di Einstein.

Un diagramma illustra come la curvatura dello spaziotempo porta a lenti gravitazionali. (Crediti immagine: NASA, ESA & L. Calçada)Il JWST non è stato il primo telescopio a individuare J1721+8842. Quel quasar lensato, composto da gas e polvere brillantino attorno a un buco nero supermassiccio, è stato osservato da Cameron Lemon nel 2017 utilizzando il Panoramic Survey Telescope e Rapid Response System (Pan-STARRS) situato all’Osservatorio di Haleakala in Hawaii. In un primo momento, il quasar sembrava lensato solo quattro volte. Tuttavia, grazie alla sensibilità del JWST, è emerso che due galassie stanno lensando questo quasar distante sei volte, con la galassia più lontana del gruppo lensata dalla galassia più vicina.

“Tipicamente, le lenti gravitazionali di una singola galassia producono due o quattro immagini della sorgente di sfondo, a seconda dell’allineamento. In questo caso, c’è un allineamento eccezionale tra due galassie e un quasar sullo sfondo, formando una configurazione rara a sei immagini,” è stata la spiegazione fornita dal team di ricerca. “L’abbiamo chiamata ‘zigzag di Einstein’ perché la traiettoria ottica di due delle molteplici immagini passa dal lato di una galassia prima di essere deflessa dalla seconda galassia dall’altro lato, creando così un modello zigzag tra le due galassie.”

Lo zig-zag di Einstein potrebbe affrontare una crisi cosmologica

Il team sta già lavorando su modelli aggiornati di J1721+8842 per misurare la costante di Hubble. “La maggior parte dei quasar lensati possono essere utilizzati per questo scopo, ma il fatto che questo ne abbia due differenti rende il modello di lensing molto più preciso, riducendo così l’incertezza nel valore della costante di Hubble,” è stato detto. “Ciò è molto interessante in un periodo in cui la cosmologia potrebbe affrontare una crisi a causa di quella che chiamiamo la tensione di Hubble.”

La tensione di Hubble concerne la differenza tra le misurazioni della costante di Hubble nell’universo primordiale e quelle misurate attualmente. “Ci potrebbero essere errori di misura in entrambe le situazioni, quindi prima di dichiarare una crisi definitiva, dobbiamo continuare a cercare possibili errori e affinare le nostre misurazioni,” è stato enfatizzato.

Riducendo le incertezze in queste misurazioni, questa lente zig-zag di Einstein potrebbe contribuire a unire il valore ottenuto e quello osservato della costante di Hubble. Un’immagine di J1721+8842 mostra le sei apparizioni del quasar di fondo indicate con le lettere da A a F. (Crediti immagine: Dux, et al, 2017)

“Inoltre, questa lente può essere utilizzata simultaneamente per vincolare l’equazione di stato dell’energia oscura dell’universo,” è stato aggiunto. “Questo è molto interessante poiché questa quantità e la costante di Hubble tendono a intersecarsi, permettendo di ‘muovere entrambi i controlli’ in direzioni diverse e allo stesso tempo adattarsi bene ai dati osservativi. Con questo sistema, potremmo rompere questa degenerazione.”

Ciò permetterebbe di determinare entrambi i valori simultaneamente utilizzando J1721+8842, un’impresa generalmente difficile da realizzare. È stato osservato che ci sono altre applicazioni, come lo studio della galassia lensante più distante. “Poiché funge sia da lente che da sorgente luminosa, apparendo come un arco rosso distorto, possiamo inferire precisamente la sua massa,” è stato spiegato. “Abbiamo anche uno spettro affascinante dall’osservazione JWST per studiare la storia di formazione stellare di questa galassia e la sua distribuzione materica. Questa è la prima vera opportunità di rispondere a simili questioni per una galassia così distante.”

Sebbene il JWST sia stato fondamentale per scoprire la vera natura di J1721+8842 come zig-zag di Einstein, potrebbe non essere lo strumento migliore per cercare ulteriori configurazioni elusive. “Il JWST fornisce osservazioni incredibilmente dettagliate per piccole porzioni del cielo. Per scoprire più zig-zag di Einstein, abbiamo bisogno di censire l’intero cielo,” è stato ritenuto. “Gaia e i sondaggi del cielo, come Pan-STARRS, Euclid o il futuro Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST), sono gli strumenti appropriati per questa ricerca.”

“Continueremo a cercare quasar lensati! Ci aspettiamo di trovarne molti altri con il Vera Rubin LSST e la missione Euclid. Se capiterà di trovare un altro zigzag, sarà una questione di fortuna.”

La ricerca del team è disponibile in pre-stampa sul repository di articoli arXiv.