{"id":801,"date":"2020-09-25T11:57:15","date_gmt":"2020-09-25T10:57:15","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=801"},"modified":"2020-09-25T12:33:37","modified_gmt":"2020-09-25T11:33:37","slug":"las-lupas-de-nuestro-universo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2020\/09\/25\/801\/","title":{"rendered":"Las lupas de nuestro universo"},"content":{"rendered":"

Por V\u00edctor Bosc\u00e1 Navarro<\/a> (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)<\/p>\n

La teor\u00eda de la relatividad general describe la interacci\u00f3n gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Einstein lleg\u00f3 a la conclusi\u00f3n de que la gravedad no es una fuerza, como formul\u00f3 Newton, sino una consecuencia de la geometr\u00eda del espacio-tiempo (el modelo matem\u00e1tico que combina el espacio y el tiempo en un \u00fanico concepto). Un cuerpo con masa deforma el espacio-tiempo formando una curvatura que es mayor cuanto m\u00e1s cerca estamos del objeto. Esta deformaci\u00f3n es lo que atrae a los cuerpos entre ellos y provoca que otros objetos tales como planetas, sat\u00e9lites, cometas… que pasen cerca sigan trayectorias curvas (Fig. 1).<\/p>\n

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Figura 1: Analog\u00eda bidimensional de la distorsi\u00f3n del espacio-tiempo debido a la Tierra. Esta deformaci\u00f3n provoca que la Luna siga una trayectoria curva y orbite alrededor de la Tierra. (cr\u00e9dito: https:\/\/www.diariolibre.com\/actualidad\/ciencia\/la-teoria-de-la-relatividad-general-en-siete-preguntas-y-respuestas-MI1965806)<\/figcaption><\/figure>\n

Ahora bien, \u00bfqu\u00e9 ocurre con la luz? \u00bftambi\u00e9n se puede curvar? Aunque pensemos que la luz viaja en l\u00ednea recta, no siempre es as\u00ed. La luz procedente de astros brillantes tambi\u00e9n se curva alrededor de un objeto con masa. Este objeto masivo que curva la trayectoria de la luz se conoce como lente gravitacional<\/strong>. Recibe este nombre por tener un comportamiento an\u00e1logo a una lente \u00f3ptica, que tambi\u00e9n desv\u00eda los rayos de luz. Como consecuencia, la imagen del astro que observamos en el telescopio est\u00e1 desplazada y distorsionada en comparaci\u00f3n a como la ver\u00edamos en ausencia de la lente, es decir, si la luz hubiera viajado en l\u00ednea recta. Por otra parte, se observa tambi\u00e9n un aumento de la luminosidad de la fuente, dicho de otro modo, vemos el objecto m\u00e1s brillante de lo que realmente es. Esto se debe a que la lente gravitacional tambi\u00e9n focaliza los rayos de luz al igual que una lupa.<\/p>\n

La primera evidencia experimental de una lente gravitacional lleg\u00f3 de la mano de un equipo liderado por el astrof\u00edsico ingl\u00e9s Eddington durante un eclipse solar en 1919. Durante este fen\u00f3meno el Sol atraves\u00f3 el c\u00famulo de estrellas H\u00edades. Los rayos de luz provenientes de este c\u00famulo 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).<\/p>\n

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Figura 2: Durante el eclipse, el Sol actu\u00f3 como lente gravitacional desviando los rayos de luz procedentes del c\u00famulo de estrellas H\u00edades. Esta desviaci\u00f3n fue observada en la Tierra por Eddington.<\/figcaption><\/figure>\n

El resultado fue una desviaci\u00f3n angular de la posici\u00f3n 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 teor\u00eda de la relatividad general cuatro a\u00f1os antes por lo que el experimento de Eddington fue clave para aceptar esta teor\u00eda por la comunidad cient\u00edfica y convirti\u00f3 a Einstein en una eminencia mundial.<\/p>\n

En ocasiones las distorsiones de la imagen debido a lentes gravitacionales son f\u00e1cilmente visibles y de tal magnitud que se pueden observar im\u00e1genes m\u00faltiples y arcos. Este tipo de lentes se conocen como lentes gravitacionales fuertes<\/strong>. Cuando la fuente de luz, la lente y el observador en la Tierra est\u00e1n alineados observamos infinitas im\u00e1genes distribuidas de forma circular alrededor de la lente. Este anillo que se forma se conoce como anillo de Einstein<\/strong> (Fig. 3)<\/p>\n

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Figura 3: Izquierda: Imagen del cu\u00e1sar (fuente astron\u00f3mica de energ\u00eda electromagn\u00e9tica) perteneciente al agujero negro supermasivo RX J1131-1231. La galaxia del centro act\u00faa como lente gravitacional fuerte curvando la luz y extendiendo la imagen del cu\u00e1sar en el fondo en un arco brillante. \u00c9ste crea un total de cuatro im\u00e1genes. 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. (cr\u00e9dito: NASA-Hubble)<\/figcaption><\/figure>\n

Cuando las distorsiones de la imagen son muy peque\u00f1as, necesitamos promediar muchas galaxias que act\u00faan como lentes para estudiar el fen\u00f3meno por lo que se necesitan estudios estad\u00edsticos. Estas lentes se denominan lentes gravitacionales d\u00e9biles<\/strong>. Una lente d\u00e9bil no produce im\u00e1genes m\u00faltiples ni arcos gigantes pero se observa un aumento de la luminosidad de la fuente y una distorsi\u00f3n de la imagen. Como veremos a continuaci\u00f3n las lentes gravitacionales d\u00e9biles son una herramienta poderosa para medir las masas de objetos en el universo.<\/p>\n

En la mayor\u00eda de las ocasiones, la resoluci\u00f3n de nuestro telescopio no es lo suficientemente buena para distinguir las m\u00faltiples im\u00e1genes causadas por una lente gravitacional por lo que solo podremos observar una fuerte amplificaci\u00f3n de la luminosidad de la fuente. A este fen\u00f3meno se le llama microlente gravitacional<\/strong>. Como ilustraci\u00f3n, el gr\u00e1fico de la Fig. 4 se ha obtenido monitorizando la luminosidad de una estrella (S) durante aproximadamente tres a\u00f1os. Entre, aproximadamente, el d\u00eda 400 y el d\u00eda 600, otra estrella pas\u00f3 por nuestra l\u00ednea de visi\u00f3n, produciendo una amplificaci\u00f3n de la luminosidad aparente de S.<\/p>\n

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Figura 4: Amplificaci\u00f3n de la luminosidad de una estrella por otra estrella que act\u00faa como lente. (cr\u00e9dito: Wikipedia)<\/figcaption><\/figure>\n

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El estudio de las lentes gravitacionales tiene enormes aplicaciones en el campo de la astrof\u00edsica y la cosmolog\u00eda. A continuaci\u00f3n explico las m\u00e1s relevantes:<\/p>\n

Explorando la parte invisible de nuestro universo<\/strong><\/p>\n

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 mayor\u00eda de la materia del universo est\u00e1 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 \u00e9sta ejerce en la materia visible. Por este motivo, es muy importante conocer la relaci\u00f3n entre la distribuci\u00f3n de materia oscura y la distribuci\u00f3n de galaxias. Las zonas con mayor densidad de materia oscura atraer\u00e1n gravitacionalmente materia visible como por ejemplo estrellas, polvo y gas c\u00f3smico los cuales formar\u00e1n galaxias en el futuro. Por el contrario, las zonas con menor densidad de materia oscura podr\u00edan no contener galaxias.<\/p>\n

La desviaci\u00f3n de la luz debido a una lente gravitacional d\u00e9bil es directamente proporcional a la masa de esta lente. Por lo tanto podemos estudiar la relaci\u00f3n entre la distribuci\u00f3n de materia oscura y la distribuci\u00f3n de galaxias comparando la distribuci\u00f3n de masa a partir del efecto de lente gravitacional d\u00e9bil con la distribuci\u00f3n de galaxias en la misma zona.<\/p>\n

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Figura 5: Dos rayos de luz atravesando una zona de objectos compactos (izquierda) y de materia difusa (derecha). En el primer caso, la mayor\u00eda de los rayos de luz viaja\u0155an a trav\u00e9s de los objetos compactos sin tocarlos por lo que no se desviar\u00e1n mientras que algunos pasar\u00e1n muy cerca y sufrir\u00e1n una desviaci\u00f3n importante. El el segundo caso, los rayos de luz sufrir\u00e1n de media desviaciones m\u00e1s similares. Por lo tanto observando la curva de luz podemos deducir la cantidad de objectos compactos que componen la materia oscura.<\/figcaption><\/figure>\n

Una de las cuestiones m\u00e1s abiertas en la ciencia moderna es el de la naturaleza de la materia oscura. Al tratarse de materia, se pensaba que \u00e9sta estar\u00eda hecha de part\u00edculas. Sin embargo, debido a la ausencia de detecciones directas, los cosm\u00f3logos empezaron a buscar alternativas a este probrema: la posibilidad de que la materia oscura est\u00e9 hecha, o al menos parcialmente, de objectos compactos tales como agujeros negros. Las lentes gravitacionales son una herramienta poderosa para corroborar esta teor\u00eda. En particular la desviaci\u00f3n de los rayos de luz ser\u00e1 diferente si \u00e9stos atraviesan una zona de\u00a0 materia oscura hecha de objetos compactos o una zona de materia oscura difusa, es decir, hecha de part\u00edculas (Fig. 5)<\/p>\n

Cazando exoplanetas<\/strong><\/p>\n

Un exoplaneta es un planeta que se encuentra fuera del sistema solar. En ocasiones, estos planetas orbitan una estrella que act\u00faa como lente gravitacional (Fig. 6). En estos casos el propio campo gravitacional del planeta puede hacer una contribuci\u00f3n 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.<\/p>\n

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Figura 6: En este ejemplo, un exoplaneta orbita una estrella que act\u00faa como lente gravitacional desviando los rayos de luz procedentes de otra estrella m\u00e1s lejana. (cr\u00e9dito: Wikipedia)<\/figcaption><\/figure>\n

Determinando la velocidad de expansi\u00f3n del universo<\/strong><\/p>\n

Desde que se form\u00f3 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 \u00e9ste 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 est\u00e1, es decir, cuanto m\u00e1s lejos se encuentra una galaxia de otra, m\u00e1s r\u00e1pido se aleja (Fig. 7).<\/p>\n

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Figura 7: Gr\u00e1fico de la velocidad en funci\u00f3n de la distancia de un conjunto de 1355 galaxias. Una relaci\u00f3n lineal sigue la ley de Hubble. La dispersi\u00f3n que se observa es debido a incertidumbres observacionales. (cr\u00e9dito: https:\/\/funkyeds.blogspot.com\/2017\/01\/hubbles-law-constantly-expanding.html)<\/figcaption><\/figure>\n

Durante el siglo XX una de las preguntas fundamentales de la cosmolog\u00eda fue el valor de la constante de proporcionalidad de la ley de Hubble, o lo que es lo mismo, la velocidad de expansi\u00f3n del universo. Esta constante de conoce como constante de Hubble.<\/strong> Actualmente se estima que el valor est\u00e1 entre 67 y 73 (km\/s)\/Mpc, es decir, las galaxias se alejan de nosotros a unos 70 km\/s por cada megap\u00e1rsec (el p\u00e1rsec es la unidad de longitud que se usa en astronom\u00eda. Equivale a unos 3 a\u00f1os luz; un megap\u00e1rsec es un mill\u00f3n de p\u00e1rsecs).<\/p>\n

Uno de los m\u00e9todos para determinar el valor de la constante de Hubble utiliza las lentes gravitacionales. Como se ha explicado anteriormente, una lente fuerte puede producir im\u00e1genes m\u00faltiples que aparecen de una \u00fanica fuente de luz. En comparaci\u00f3n con una trayectoria de luz recta, las trayectorias de luz en presencia de una lente gravitacional son curvas y por tanto m\u00e1s largas. Esto da lugar a un retraso en el tiempo. Dicho de otro modo, las im\u00e1genes m\u00faltiples que observamos no aparecer\u00e1n simultaneamente sino que aparecer\u00e1 una detr\u00e1s de la otra. Pues bien, se puede demostrar que el retraso en el tiempo de aparici\u00f3n de est\u00e1s im\u00e1genes es inversamente proporcional a la constante de Hubble. Por lo tanto, la velocidad de expansi\u00f3n del universo se puede hallar utilizando lentes gravitacionales.<\/p>\n

En resumen, las lentes gravitacionales son uno de los fen\u00f3menos m\u00e1s espectaculares predichos por la teor\u00eda de la relatividad de Einstein. Su evidencia experimental fue el impulso de esta teor\u00eda para ser aceptada por la comunidad cient\u00edfica. Las aplicaciones de este efecto son innumerables ya que no necesita luz para ser observado: desde la observaci\u00f3n de materia oscura hasta la detecci\u00f3n de exoplanetas, y determinaci\u00f3n de la velocidad de expansi\u00f3n del universo. Las lentes gravitaciones se postulan como un campo independiente de la cosmolog\u00eda que se utilizar\u00e1 para responder cuestiones fundamentales sobre nuestro universo.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Por V\u00edctor Bosc\u00e1 Navarro (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC) La teor\u00eda de la relatividad general describe la interacci\u00f3n gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Einstein lleg\u00f3 a la conclusi\u00f3n de que la gravedad no es una fuerza, como formul\u00f3 Newton, sino una consecuencia de la geometr\u00eda del espacio-tiempo (el modelo matem\u00e1tico que combina el espacio y el tiempo en un \u00fanico concepto). Un cuerpo con masa deforma el espacio-tiempo formando una curvatura que es mayor cuanto m\u00e1s cerca estamos del objeto. Esta deformaci\u00f3n es lo que atrae a los cuerpos entre ellos y provoca que otros objetos tales como\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":201,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[7197],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/801"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/users\/201"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=801"}],"version-history":[{"count":11,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/801\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":807,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/801\/revisions\/807"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=801"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=801"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=801"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}