Las lupas de nuestro universo

Por Víctor Boscá Navarro (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)

La teoría de la relatividad general describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Einstein llegó a la conclusión de que la gravedad no es una fuerza, como formuló Newton, sino una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo (el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único concepto). Un cuerpo con masa deforma el espacio-tiempo formando una curvatura que es mayor cuanto más cerca estamos del objeto. Esta deformación es lo que atrae a los cuerpos entre ellos y provoca que otros objetos tales como planetas, satélites, cometas… que pasen cerca sigan trayectorias curvas (Fig. 1).

Figura 1: Analogía bidimensional de la distorsión del espacio-tiempo debido a la Tierra. Esta deformación provoca que la Luna siga una trayectoria curva y orbite alrededor de la Tierra. (crédito: https://www.diariolibre.com/actualidad/ciencia/la-teoria-de-la-relatividad-general-en-siete-preguntas-y-respuestas-MI1965806)

Ahora bien, ¿qué ocurre con la luz? ¿también se puede curvar? Aunque pensemos que la luz viaja en línea recta, no siempre es así. La luz procedente de astros brillantes también se curva alrededor de un objeto con masa. Este objeto masivo que curva la trayectoria de la luz se conoce como lente gravitacional. Recibe este nombre por tener un comportamiento análogo a una lente óptica, que también desvía los rayos de luz. Como consecuencia, la imagen del astro que observamos en el telescopio está desplazada y distorsionada en comparación a como la veríamos en ausencia de la lente, es decir, si la luz hubiera viajado en línea recta. Por otra parte, se observa también un aumento de la luminosidad de la fuente, dicho de otro modo, vemos el objecto más brillante de lo que realmente es. Esto se debe a que la lente gravitacional también focaliza los rayos de luz al igual que una lupa.

La primera evidencia experimental de una lente gravitacional llegó de la mano de un equipo liderado por el astrofísico inglés Eddington durante un eclipse solar en 1919. Durante este fenómeno el Sol atravesó el cúmulo de estrellas Híades. Los rayos de luz provenientes de este cúmulo fueron visibles gracias a la oscuridad del eclipse, por lo que se pudieron realizar mediciones precisas de las posiciones de las estrellas en el cielo desviadas por el campo gravitatorio del Sol. (Fig. 2).

Figura 2: Durante el eclipse, el Sol actuó como lente gravitacional desviando los rayos de luz procedentes del cúmulo de estrellas Híades. Esta desviación fue observada en la Tierra por Eddington.

El resultado fue una desviación angular de la posición de las estrellas de 1.7 segundos de arco (el segundo de arco o arcosegundo es una unidad de medida angular. Su valor equivale a 1/3600 grados, ver Fig. 2). Este valor fue exactactamente predicho en la teoría de la relatividad general cuatro años antes por lo que el experimento de Eddington fue clave para aceptar esta teoría por la comunidad científica y convirtió a Einstein en una eminencia mundial.

En ocasiones las distorsiones de la imagen debido a lentes gravitacionales son fácilmente visibles y de tal magnitud que se pueden observar imágenes múltiples y arcos. Este tipo de lentes se conocen como lentes gravitacionales fuertes. Cuando la fuente de luz, la lente y el observador en la Tierra están alineados observamos infinitas imágenes distribuidas de forma circular alrededor de la lente. Este anillo que se forma se conoce como anillo de Einstein (Fig. 3)

Figura 3: Izquierda: Imagen del cuásar (fuente astronómica de energía electromagnética) perteneciente al agujero negro supermasivo RX J1131-1231. La galaxia del centro actúa como lente gravitacional fuerte curvando la luz y extendiendo la imagen del cuásar en el fondo en un arco brillante. Éste crea un total de cuatro imágenes. Derecha: Anillo de Einstein fotografiado por el telescopio Hubble de la NASA. La galaxia amarilla distorsionala imagen de la galaxia azul produciendo este impresionante arco. (crédito: NASA-Hubble)

Cuando las distorsiones de la imagen son muy pequeñas, necesitamos promediar muchas galaxias que actúan como lentes para estudiar el fenómeno por lo que se necesitan estudios estadísticos. Estas lentes se denominan lentes gravitacionales débiles. Una lente débil no produce imágenes múltiples ni arcos gigantes pero se observa un aumento de la luminosidad de la fuente y una distorsión de la imagen. Como veremos a continuación las lentes gravitacionales débiles son una herramienta poderosa para medir las masas de objetos en el universo.

En la mayoría de las ocasiones, la resolución de nuestro telescopio no es lo suficientemente buena para distinguir las múltiples imágenes causadas por una lente gravitacional por lo que solo podremos observar una fuerte amplificación de la luminosidad de la fuente. A este fenómeno se le llama microlente gravitacional. Como ilustración, el gráfico de la Fig. 4 se ha obtenido monitorizando la luminosidad de una estrella (S) durante aproximadamente tres años. Entre, aproximadamente, el día 400 y el día 600, otra estrella pasó por nuestra línea de visión, produciendo una amplificación de la luminosidad aparente de S.

Figura 4: Amplificación de la luminosidad de una estrella por otra estrella que actúa como lente. (crédito: Wikipedia)

 

El estudio de las lentes gravitacionales tiene enormes aplicaciones en el campo de la astrofísica y la cosmología. A continuación explico las más relevantes:

Explorando la parte invisible de nuestro universo

Utilizando las lentes gravitacionales, podemos estudiar las estructuras a gran escala de materia del universo a partir de las distribuciones de galaxias que observamos con los telescopios. Sin embargo, la mayoría de la materia del universo está hecha de materia oscura, un tipo de materia que no emite luz y por lo tanto, no podemos observar directamente. Solamente conocemos su existencia gracias a los efectos gravitacionales que ésta ejerce en la materia visible. Por este motivo, es muy importante conocer la relación entre la distribución de materia oscura y la distribución de galaxias. Las zonas con mayor densidad de materia oscura atraerán gravitacionalmente materia visible como por ejemplo estrellas, polvo y gas cósmico los cuales formarán galaxias en el futuro. Por el contrario, las zonas con menor densidad de materia oscura podrían no contener galaxias.

La desviación de la luz debido a una lente gravitacional débil es directamente proporcional a la masa de esta lente. Por lo tanto podemos estudiar la relación entre la distribución de materia oscura y la distribución de galaxias comparando la distribución de masa a partir del efecto de lente gravitacional débil con la distribución de galaxias en la misma zona.

Figura 5: Dos rayos de luz atravesando una zona de objectos compactos (izquierda) y de materia difusa (derecha). En el primer caso, la mayoría de los rayos de luz viajaŕan a través de los objetos compactos sin tocarlos por lo que no se desviarán mientras que algunos pasarán muy cerca y sufrirán una desviación importante. El el segundo caso, los rayos de luz sufrirán de media desviaciones más similares. Por lo tanto observando la curva de luz podemos deducir la cantidad de objectos compactos que componen la materia oscura.

Una de las cuestiones más abiertas en la ciencia moderna es el de la naturaleza de la materia oscura. Al tratarse de materia, se pensaba que ésta estaría hecha de partículas. Sin embargo, debido a la ausencia de detecciones directas, los cosmólogos empezaron a buscar alternativas a este probrema: la posibilidad de que la materia oscura esté hecha, o al menos parcialmente, de objectos compactos tales como agujeros negros. Las lentes gravitacionales son una herramienta poderosa para corroborar esta teoría. En particular la desviación de los rayos de luz será diferente si éstos atraviesan una zona de  materia oscura hecha de objetos compactos o una zona de materia oscura difusa, es decir, hecha de partículas (Fig. 5)

Cazando exoplanetas

Un exoplaneta es un planeta que se encuentra fuera del sistema solar. En ocasiones, estos planetas orbitan una estrella que actúa como lente gravitacional (Fig. 6). En estos casos el propio campo gravitacional del planeta puede hacer una contribución detectable al efecto de lente gravitacional al igual que el ejemplo de la figura 4. Estas contribuciones nos permiten inferir la existencia y determinar la masa y distancia del exoplaneta alrededor de la lente.

Figura 6: En este ejemplo, un exoplaneta orbita una estrella que actúa como lente gravitacional desviando los rayos de luz procedentes de otra estrella más lejana. (crédito: Wikipedia)

Determinando la velocidad de expansión del universo

Desde que se formó el espacio y el tiempo con el Big Bang, el universo no ha dejado de expandirse. De hecho, son muchas las observaciones que demuestran que éste se expande de forma acelerada. La ley de Hubble establece que la velocidad a la que se aleja una galaxia es proporcional a la distacia a la que está, es decir, cuanto más lejos se encuentra una galaxia de otra, más rápido se aleja (Fig. 7).

Figura 7: Gráfico de la velocidad en función de la distancia de un conjunto de 1355 galaxias. Una relación lineal sigue la ley de Hubble. La dispersión que se observa es debido a incertidumbres observacionales. (crédito: https://funkyeds.blogspot.com/2017/01/hubbles-law-constantly-expanding.html)

Durante el siglo XX una de las preguntas fundamentales de la cosmología fue el valor de la constante de proporcionalidad de la ley de Hubble, o lo que es lo mismo, la velocidad de expansión del universo. Esta constante de conoce como constante de Hubble. Actualmente se estima que el valor está entre 67 y 73 (km/s)/Mpc, es decir, las galaxias se alejan de nosotros a unos 70 km/s por cada megapársec (el pársec es la unidad de longitud que se usa en astronomía. Equivale a unos 3 años luz; un megapársec es un millón de pársecs).

Uno de los métodos para determinar el valor de la constante de Hubble utiliza las lentes gravitacionales. Como se ha explicado anteriormente, una lente fuerte puede producir imágenes múltiples que aparecen de una única fuente de luz. En comparación con una trayectoria de luz recta, las trayectorias de luz en presencia de una lente gravitacional son curvas y por tanto más largas. Esto da lugar a un retraso en el tiempo. Dicho de otro modo, las imágenes múltiples que observamos no aparecerán simultaneamente sino que aparecerá una detrás de la otra. Pues bien, se puede demostrar que el retraso en el tiempo de aparición de estás imágenes es inversamente proporcional a la constante de Hubble. Por lo tanto, la velocidad de expansión del universo se puede hallar utilizando lentes gravitacionales.

En resumen, las lentes gravitacionales son uno de los fenómenos más espectaculares predichos por la teoría de la relatividad de Einstein. Su evidencia experimental fue el impulso de esta teoría para ser aceptada por la comunidad científica. Las aplicaciones de este efecto son innumerables ya que no necesita luz para ser observado: desde la observación de materia oscura hasta la detección de exoplanetas, y determinación de la velocidad de expansión del universo. Las lentes gravitaciones se postulan como un campo independiente de la cosmología que se utilizará para responder cuestiones fundamentales sobre nuestro universo.

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Comentarios

Enhorabuena Victor. Felicidades por hacer facil lo dificil.Y felicidades porque lo has hecho tu. Es un tema apasionante y sin duda es una guia de futuro para ti, seguir con esa pasion. Espero con ganas tu siguiente contribucion. Por cierto tenet me gusto y creo q la volvere a ver unas cuantas veces .mas ,como interstellar.Bravo y animo.

Me ha gustado mucho el artículo. La física siempre me ha encantado, aunque soy de letras. Nunca había oido hablar de las lentes gravitacionales. Por qué no vemos ese efecto en nuestro día a día?

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