Telescopios más grandes que galaxias

La naturaleza tiene sus propios telescopios, las lentes gravitatorias, telescopios del tamaño de galaxias que nos permiten observar objetos increíblemente lejanos y diminutos que no podríamos conocer de otra forma. Estas lentes gravitatorias fueron predichas por Einstein y nos han dado alguna de las imágenes más increíbles de la astronomía.

 

Aunque tengan más de mito que de realidad, las historias de alineación planetaria prometen sucesos fantásticos. Dentro de miles de años, cuando todos los planetas se alineen, llegará el día del juicio final o el héroe prometido o dejará de venderse homeopatía en farmacias. Las alineaciones planetarias no suelen darnos mucho más que excusas para salir a observar el cielo nocturno, pero otro tipo de alineaciones, que ocurren a escalas mucho más inabarcables, sí nos permiten profundizar en nuestro estudio del universo. Hablo de las alineaciones de galaxias o más concretamente de las lentes gravitatorias.

Estas lentes son el resultado de una de las predicciones más famosas de la Relatividad General: que la luz (y los fotones que la forman) se ve afectada por la gravedad. En la teoría de Albert Einstein, la magnitud que se ve afectada por la gravedad (que aquí toma la forma de curvatura del espaciotiempo) es la energía, más que la masa. Esto hace que cualquier partícula se vea afectada por la gravedad y su trayectoria modificada cuando pasa por las cercanías de un objeto muy masivo.

En verdad la Relatividad General no fue la primera teoría de la gravedad en predecir que la luz debía verse afectada por esta fuerza. Ya la teoría de la Gravitación Universal, de Isaac Newton, predecía algo así. Para Newton la luz estaba formada por partículas. Y aunque no tenía forma experimental de averiguar la masa de esas partículas, suponía que debían tener masa. Pero para calcular cómo se modificaba la trayectoria de la luz en presencia de un campo gravitatorio no necesitaba conocerla, al fin y al cabo este sería un problema de caída libre o de órbitas. Lo que determinará el ángulo que se desvía la trayectoria será la velocidad del objeto y no su masa (de forma similar al hecho de que, en ausencia de aire, una pluma y una bola de cañón caen a la misma velocidad).

Sin embargo, la predicción hecha por ambas teorías no era la misma. Concretamente Einstein predecía un ángulo que sería el doble del predicho por Newton. En 1919 se puso a prueba esta predicción, de la que salieron victoriosos el alemán y su teoría. Allí se utilizó por primera vez las propiedades de las lentes gravitatorias para observar una estrella lejana. Desde entonces hemos encontrado lentes de este tipo formadas por multitud de astros repartidos por el universo. Veamos algunos de los casos más espectaculares:

Serpiente cósmica
ESA/Hubble & NASA

Serpiente cósmica

El primero de los astros afectados por este fenómeno recibe el nombre de Serpiente Cósmica, por motivos más que obvios. Esta galaxia se sitúa detrás de un cúmulo de galaxias con un nombre considerablemente menos romántico: MACSJ1206.2-0847. Este cúmulo está situado a unos 4 500 millones de años luz de distancia y contiene suficiente masa como para redirigir la luz de objetos mucho más lejanos. La imagen de la Serpiente Cósmica, que en verdad está formada por cuatro imágenes parciales superpuestas, no solo se ve modificada por el cúmulo en conjunto, sino que algunas de sus galaxias consiguen crear esa forma sinuosa que puede apreciarse. Gracias a esta imagen se han podido identificar regiones de intensa formación estelar en esta galaxia.

Lente gravitatoria Cruz Einstein
NASA, ESA, STScI

Cruz de Einstein

En la siguiente imagen podemos observar un caso en el que la distorsión de la lente gravitatoria ha multiplicado la imagen original por cuatro. La Cruz de Einstein, que es como se conoce a esta imagen consiste en la luz de un cuásar lejano siendo ampliada por una galaxia relativamente cercana y que casualmente está situada en la línea que une al cuásar con la Tierra. Los cuásares son núcleos activos de galaxias especialmente luminosos rodeado de un disco de acreción. El agujero negro en su centro puede tener una masa desde los varios millones de masas solares hasta las decenas de miles de millones de veces la masa del Sol. El gas que se precipita al interior del agujero negro se caliente por las increíbles fuerzas de fricción, emitiendo luz en el proceso. Estos objetos están entre los más luminosos y violentos conocidos, alcanzando algunos cuásares luminosidades miles de veces la de la Vía Láctea en su conjunto.

Anillo Einstein
ESA/Hubble & NASA

Anillo de Einstein

Realmente este nombre se le da al tipo de estructura, que se ha observado en repetidas ocasiones. Esta en concreto se llama LRG 3-757 y muestra una galaxia distante, siendo distorsionada por una más cercana. Cuando la alineación entre los tres objetos (las dos galaxias y la Tierra) es exacta, se forma una imagen perfectamente circular, que recibe el nombre de Anillo de Einstein, en honor a las predicciones del físico alemán. En este caso la alineación no era exacta, pero sí lo suficiente como para formar esta estructura casi circular, que recuerda a la herradura de un caballo.

Todas estas imágenes son casos de lo que se conoce como lente gravitatoria fuerte, en la que la imagen se ve completamente distorsionada y alterada por la lente. Sin embargo existen también y son mucho más comunes, las lentes gravitatorias débiles, que tienen como efecto cambiar la posición aparente del astro distante afectado. Estas lentes, que es como podría considerarse al Sol durante aquel eclipse de 1919 que dio la razón a las predicciones de Einstein, son muy útiles en astrofísica. Para detectar estas lentes suele ser necesario comparar varias imágenes de la misma región del cielo, observando el cambio de posición de los diferentes objetos. Con este proceso puede identificarse por ejemplo la presencia de objetos que no emitan luz pero sí acumulen gran masa, como agujeros negros desnudos o materia oscura.

Referencias:

V. Belokurov et al, 2007, The Cosmic Horseshoe: Discovery of an Einstein Ring around a Giant Luminous Red Galaxy, The Astrophysical Journal. 671 (1), doi:10.1086/524948

Bernard F. Schutz, 1985, A First Course in General Relativity, Cambridge University Press

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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