Lentes gravitacionales

Después de unos cuantos meses inactivo, voy a ver si resucito esto un poco esto, y he decidido hacerlo con uno de los temas más exóticos que podríamos tratar aquí: las lentes gravitacionales.

Muchas veces, escuchar cosas como "relatividad" o "agujero negro" hace que pensemos automáticamente en complicadas teorías, viajes en el tiempo ciencia ficción... De hecho, para mucha gente estas teorías son tan extrañas e incomprensibles que simplemente no pueden ser ciertas (aceptar que el tiempo o el espacio no son absolutos cuesta mucho trabajo). Sin embargo, por difícil o imposible que todo esto pueda parecer, existen algunas pruebas que corroboran semejantes locuras "locuras". En concreto, una de ellas es la existencia de lentes gravitacionales.

Para explicar este fenómeno, hay que echarle antes un vistazo a la Teoría de la Relatividad General de Einstein (que nadie se espante). Para andar por casa, esta teoría (no confundir con la Relatividad Especial, que el propio Einstein desarrolló antes) viene a decir que todo objeto con masa deforma el tejido espacio-tiempo. Esta deformación es lo que nosotros llamamos "gravedad", y es proporcional a la masa del objeto. Como ejemplo, supongamos una cama elástica. Si lanzamos una canica rodando desde uno de sus extremos, la canica irá en linea recta hasta alcanzar el otro lado de la cama elástica (siempre que sea lanzada sin efecto y con fuerza suficiente, claro). Ahora bien, ¿qué pasa si ponemos una bola para jugar a los bolos en medio de la cama elástica, y repetimos el procedimiento?. La bola combará la cama elástica, y cuando lancemos la canica, esta tenderá a ir hacia la bola. Si el lanzamiento lo hago muy lejos de la bola, la trayectoria de la canica prácticamente seguirá recta, casi sin inmutarse. Pero a medida que vayamos lanzando la canica más cerca de la bola, su trayectoria se irá curvando cada vez más, hasta que alcancemos un punto en el cual la canica acabe cayendo hacia la bola y no logre llegar al otro lado.

Ejemplo de curvatura del espacio-tiempo.

Os dejo un vídeo que explica muy bien todo esto.

Esta fue una de las ideas más controvertidas de la historia de la ciencia, hasta tal punto que a día de hoy no todos los físicos se la creen (como ocurre con la física cuántica). No obstante, la Relatividad General ha permitido explicar, por ejemplo, el extraño comportamiento de Mercurio en su órbita, o programar los GPS que de otro modo no funcionarían correctamente.

Por un lado entonces aparecieron evidencias que demostraban que, si bien no se puede asegurar que la Relatividad General sea cierta (existen problemas para meterla en una teoría unificadora), es más acertada que la ley de la gravitación universal de Newton. Por otra parte, las teorías han de tener la capacidad de hacer predicciones sobre procesos antes de que ocurran o se descubran, y ésto mismo ocurrió con la teoría de Einstein:

Según la Relatividad General, todos los objetos se ven afectados por la existencia de estas deformaciones en el espacio-tiempo, incluídos los fotones. Es decir, que un rayo de luz emitido por un objeto puede curvarse por el efecto de una gran cantidad de masa cerca de su trayectoria. Esto puede provocar que nos lleguen varias imágenes de un mismo objeto, mediante un efecto que se llamó lente gravitacional.

Efecto de lente gravitacional de un quasar:
los quasares son objetos muy lejanos, y su luz recorre grandes distancias
en las que puede pasar cerca de una galaxia. En este caso, el telescopio
espacial Chandra recibe dos imágenes de un único quasar.
Imagen: NASA

Para poder detectar un efecto de lente gravitacional, es necesario que la luz venga de objetos muy lejanos para que existan probabilidades de que la trayectoria pase cerca de objetos masivos como las galaxias. En el momento en que se publicó la teoría de la Relatividad General (1915-1916) los instrumentos no permitían la detección de objetos tan lejanos, de modo que no pudo comprobarse la existencia de éste fenómeno. Fue necesario esperar hasta 1979 para que la primera lente gravitacional fuese detectada. Posteriormente han ido apareciendo más casos, siendo tal vez el más famoso el de la Cruz de Einstein.

Imagen de la Cruz de Einstein:
la luz de un quasar muy lejano es deflectada por el objeto central
(una galaxia) dando lugar a cuatro imágenes virtuales del quasar.

Como un dato curioso y en alza, actualmente se está trabajando en lo que se llama "microlentes gravitacionales", que básicamente son este mismo efecto causado por planetas. Debido a que su masa es muchísimo menor que la de una galaxia, el efecto de lente gravitacional que un planeta puede ejercer sobre una estrella también lo es. No obstante, puede dar lugar a fluctuaciones en el brillo de la estrella debido al desplazamiento del planeta a lo largo de su órbita. Esto quiere decir que observando la luminosidad de la estrella, podemos detectar exoplanetas que de otra manera serían muy complicados de encontrar (por ejemplo, aquellos que en su órbita no se colocan entre la estrella y nosotros, y no observamos ningún cambio de luminosidad debido a este "eclipse").

Detección del exoplaneta OGLE 235/MOA-35 b.
Se recorre la zona próxima a la estrella con el telescopio,
midiendo la intensidad. La curva principal, con forma de campana,
es la correspondiente a la estrella. El pico señalado es un aumento
de la luminosidad por efecto de microlente gravitacional.

Todo esto pone de manifiesto que si bien la teoría de Einstein puede no ser correcta debido a los problemas que presenta para algunos campos, está más cerca de la realidad que la de Newton. O dicho de otro modo: el que no se lo quiera creer, que no se lo crea. Pero lentes gravitacionales, haberlas hailas. Y muy impresionantes.

En algunas ocasiones, en vez de llegarnos dos o tres imágenes virtuales,
nos lleganmuchas más. Estas imágenes se solapan y forman
anillos (a veces concéntricos) alrededor del objeto que causó
el efecto de lente gravitacional.
Foto: Hubble Space Telescope

Imagen del cúmulo Abell 370 (click en ella para agrandar).
Se pueden apreciar varios objetos repetidos, formando una distribución
de anillo. En concreto, os recomiendo que ampliéis la imagen y os acerquéis
a la macha alargada que aparece hacia la derecha de la imagen,
veréis una increible modificación de la imagen de la galaxia.
Foto: Hubble Space Telescope

Imagen del cúmulo Abell 1689 (click en ella para agrandar):
Esta imagen de un lejano cúmulo de galaxias muestra varios efectos de lente gravitacional. Todos esos círculos discontínuos son en realidad objetos situados detrás de estas galaxias, cuya imagen nos llega
"repetida" formando anillos.
Foto: Hubble Space Telescope