Guardare nell'universo è come guardare in uno specchio del luna park. Questo perché la gravità deforma il tessuto dello spazio, creare illusioni ottiche.

Molte di queste illusioni ottiche appaiono quando la luce di una galassia lontana viene ingrandita, allungato, e si illumina mentre passa attraverso un'enorme galassia o un ammasso di galassie di fronte ad esso. Questo fenomeno, chiamato lente gravitazionale, produce molteplici, allungato, e immagini illuminate della galassia di sfondo.

Questo fenomeno consente agli astronomi di studiare galassie così distanti da non poter essere viste se non per gli effetti della lente gravitazionale. La sfida sta nel cercare di ricostruire le galassie lontane dalle strane forme prodotte dalle lenti.

Ma gli astronomi che usavano il telescopio spaziale Hubble si sono imbattuti in una di queste strane forme mentre analizzavano i quasar, i nuclei ardenti delle galassie attive. Hanno individuato due luminose, oggetti lineari che sembravano essere immagini speculari l'uno dell'altro. Un altro oggetto strano era nelle vicinanze.

Le caratteristiche hanno così confuso gli astronomi che ci sono voluti diversi anni per svelare il mistero. Con l'aiuto di due esperti di lenti gravitazionali, i ricercatori hanno determinato che i tre oggetti erano le immagini distorte di un lontano, galassia sconosciuta. Ma la sorpresa più grande è stata che gli oggetti lineari erano copie esatte l'uno dell'altro, un evento raro causato dal preciso allineamento della galassia sullo sfondo e dell'ammasso di lenti in primo piano.

Gli astronomi hanno visto alcune cose piuttosto strane sparse nel nostro vasto universo, dall'esplosione di stelle alle galassie in collisione. Così, penseresti che quando vedono uno strano oggetto celeste, sarebbero in grado di identificarlo.

Ma il telescopio spaziale Hubble della NASA ha scoperto quello che sembra essere un paio di oggetti identici che sembrano così strani che gli astronomi hanno impiegato diversi anni per determinare cosa siano.

"Eravamo davvero perplessi, " ha detto l'astronomo Timothy Hamilton della Shawnee State University di Portsmouth, Ohio.

Gli oggetti stravaganti sono costituiti da una coppia di rigonfiamenti galattici (il mozzo centrale pieno di stelle di una galassia) e almeno tre strisce divise quasi parallele. Hamilton li ha individuati per caso mentre utilizzava Hubble per esaminare una collezione di quasar, i nuclei ardenti delle galassie attive.

Dopo aver inseguito teorie senza uscita, chiedere aiuto ai colleghi, e facendo un sacco di grattacapi, Hamilton e il team in crescita, guidato da Richard Griffiths dell'Università delle Hawaii a Hilo, finalmente mettere insieme tutti gli indizi per risolvere il mistero.

Gli oggetti lineari erano le immagini allungate di una galassia lontana con lenti gravitazionali, situato a più di 11 miliardi di anni luce di distanza. E, sembravano essere immagini speculari l'uno dell'altro.

Il team ha scoperto che l'immensa gravità di un intervento, e non catalogato, l'ammasso di galassie in primo piano stava deformando lo spazio, ingrandimento, illuminante, e allungando dietro di sé l'immagine di una galassia lontana, un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Sebbene i sondaggi di Hubble rivelino molte di queste distorsioni a specchio causate dalle lenti gravitazionali, questo oggetto lasciava perplessi in modo univoco.

In questo caso, un preciso allineamento tra una galassia sullo sfondo e un ammasso di galassie in primo piano produce due copie ingrandite della stessa immagine della galassia remota. Questo raro fenomeno si verifica perché la galassia di sfondo si trova a cavallo di un'increspatura nel tessuto dello spazio. Questa "increspatura" è un'area di maggior ingrandimento, causato dalla gravità di dense quantità di materia oscura, la colla invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo. Mentre la luce della lontana galassia passa attraverso l'ammasso lungo questa increspatura, vengono prodotte due immagini speculari, insieme a una terza immagine che può essere vista di lato.

Griffiths paragona questo effetto ai luminosi motivi ondulati visti sul fondo di una piscina. "Pensa alla superficie increspata di una piscina in una giornata di sole, mostrando modelli di luce brillante sul fondo della piscina, " ha spiegato. "Questi modelli luminosi sul fondo sono causati da un tipo di effetto simile a quello delle lenti gravitazionali. Le increspature sulla superficie fungono da lenti parziali e focalizzano la luce solare in luminosi motivi ondulati sul fondo".

Nella lontana galassia con lenti gravitazionali, l'increspatura sta notevolmente ingrandendo e distorcendo la luce della galassia di sfondo che sta attraversando l'ammasso. L'increspatura agisce come uno specchio curvo imperfetto che genera le doppie copie.

Risolvere il mistero

Ma questo raro fenomeno non era ben noto quando Hamilton ha individuato le strane caratteristiche lineari nel 2013.

Mentre guardava attraverso le immagini del quasar, risaltava l'istantanea delle immagini specchiate e delle striature parallele. Hamilton non aveva mai visto niente di simile prima, e nessuno dei due aveva altri membri della squadra.

"Il mio primo pensiero è stato che forse stavano interagendo con le galassie con le braccia distese in direzione mareale, "Ha detto Hamilton. "Non si adattava molto bene, ma non sapevo cos'altro pensare."

Così Hamilton e il team hanno iniziato la loro ricerca per risolvere il mistero di queste allettanti linee rette, in seguito soprannominato l'Oggetto di Hamilton per il suo scopritore. Hanno mostrato la strana immagine ai colleghi alle conferenze di astronomia, che ha suscitato una serie di risposte, dalle stringhe cosmiche alle nebulose planetarie.

Ma poi Griffiths, che non era un membro della squadra originale, ha offerto la spiegazione più plausibile quando Hamilton gli ha mostrato l'immagine a una riunione della NASA nel 2015. Era un'immagine ingrandita e distorta causata da un fenomeno di lente simile a quelli visti nelle immagini di Hubble di altri enormi ammassi di galassie che stanno amplificando le immagini di galassie molto distanti . Griffiths ha confermato questa idea quando ha appreso di un oggetto lineare simile in uno dei sondaggi di Hubble sull'ammasso profondo.

I ricercatori, però, aveva ancora un problema. Non sono riusciti a identificare il gruppo di lenti. Normalmente, gli astronomi che studiano gli ammassi di galassie vedono prima l'ammasso in primo piano che sta causando il lensing, e poi trovare le immagini ingrandite di galassie lontane all'interno dell'ammasso. Una ricerca delle immagini della Sloan Digital Sky Survey ha rivelato che un ammasso di galassie risiedeva nella stessa area delle immagini ingrandite, ma non compare in nessun sondaggio catalogato. Tuttavia, il fatto che le strane immagini fossero al centro di un ammasso rese chiaro a Griffiths che l'ammasso stava producendo le immagini dell'obiettivo.

Il passo successivo dei ricercatori è stato determinare se le tre immagini dell'obiettivo fossero alla stessa distanza, e quindi erano tutti i ritratti distorti della stessa galassia lontana. Le misurazioni spettroscopiche con gli osservatori Gemini e W. M. Keck alle Hawaii hanno aiutato i ricercatori a dare questa conferma, mostrando che le immagini con l'obiettivo provenivano da una galassia situata a più di 11 miliardi di anni luce di distanza.

La galassia remota, sulla base di una ricostruzione dell'immagine della terza lente, sembra essere un vantaggio, spirale sbarrata con in corso, formazione stellare a grumi.

Più o meno nello stesso periodo delle osservazioni spettroscopiche di Griffiths e degli studenti universitari a Hilo, un gruppo separato di ricercatori di Chicago ha identificato il cluster e ne ha misurato la distanza utilizzando i dati Sloan. L'ammasso risiede a più di 7 miliardi di anni luce di distanza.

Ma, con pochissime informazioni sul cluster, Il team di Griffiths stava ancora lottando su come interpretare queste insolite forme delle lenti. "Questa lente gravitazionale è molto diversa dalla maggior parte delle lenti studiate prima da Hubble, in particolare nell'indagine Hubble Frontier Fields sui cluster, Griffiths ha spiegato. "Non è necessario fissare a lungo quegli ammassi per trovare molte lenti. In questo oggetto, questa è l'unica lente che abbiamo. E all'inizio non sapevamo nemmeno del cluster".

Mappare l'invisibile

Fu allora che Griffiths chiamò un esperto di teoria della lente gravitazionale, Jenny Wagner dell'Università di Heidelberg in Germania. Wagner aveva studiato oggetti simili, e con il collega Nicolas Tessore, ora all'Università di Manchester in Inghilterra, sviluppato un software per computer per interpretare obiettivi unici come questo. Il loro software ha aiutato il team a capire come sono nate tutte e tre le immagini con l'obiettivo. Hanno concluso che la materia oscura attorno alle immagini allungate doveva essere distribuita "senza intoppi" nello spazio su piccola scala.

"È fantastico che abbiamo bisogno solo di due immagini speculari per ottenere la scala di quanto la materia oscura possa essere grumosa o meno in queste posizioni, " disse Wagner. "Ecco, non usiamo alcun modello di obiettivo. Prendiamo solo gli osservabili delle immagini multiple e il fatto che possono essere trasformate l'una nell'altra. Possono essere piegati l'uno nell'altro con il nostro metodo. Questo ci dà già un'idea di quanto debba essere liscia la materia oscura in queste due posizioni".

Questo risultato è importante, Griffith ha detto, perché gli astronomi ancora non sanno cosa sia la materia oscura, quasi un secolo dopo la sua scoperta. "Sappiamo che è una qualche forma di materia, ma non abbiamo idea di quale sia la particella costituente. Quindi non sappiamo affatto come si comporta. Sappiamo solo che ha massa ed è soggetto alla gravità. Il significato dei limiti di dimensione sull'aggregazione o levigatezza è che ci dà alcuni indizi su cosa potrebbe essere la particella. Più piccoli sono i grumi di materia oscura, più massicce devono essere le particelle."