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)