ASTRONOMÍA. ¿Qué es una Lente Gravitacional?

lentes gravitacionales

La luz de los objetos distantes pasó a través del campo gravitacional de galaxias más cercanas para crear una lente gravitacional que se parece a una "cara sonriente" para el telescopio espacial Hubble. NASA / STScl

La mecánica de una lente gravitacional
El concepto detrás de la lente gravitacional es simple:  todo en el universo tiene masa  y esa masa ejerce una atracción gravitacional. Si un objeto es lo suficientemente masivo, su intensa fuerza gravitacional doblará la luz a medida que pasa. Un campo gravitacional de un objeto muy masivo, como un planeta, una estrella o una galaxia, o un cúmulo de galaxias, o incluso un agujero negro, atrae con mayor fuerza a los objetos en el espacio cercano. 

Por ejemplo, cuando pasan rayos de luz de un objeto más distante, quedan atrapados en el campo gravitacional, doblados y reenfocados. La "imagen" reenfocada suele ser una vista distorsionada de los objetos más distantes. En algunos casos extremos, las galaxias de fondo pueden terminar distorsionadas en formas largas, delgadas y parecidas a plátanos por la acción de una lente gravitacional.

Lentes gravitacionales y cómo funcionan. La luz de un objeto distante pasa por un objeto más cercano con un fuerte tirón gravitacional. La luz está doblada y distorsionada y eso crea "imágenes" del objeto más distante.  NASA

Si todo se alinea correctamente, la atracción gravitacional de una galaxia puede convertir la luz de un cuásar distante en cuatro imágenes separadas. Y si la luz que forma esas imágenes nos ha llegado a lo largo de caminos de longitudes ligeramente diferentes, los investigadores pueden medir los retrasos de tiempo entre los caminos e inferir distancias a la galaxia y el cuásar distante. (Ilustración: Martin Millon / Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana. Fuente: Imagen de galaxia y cuásar: Telescopio espacial Hubble / NASA

La predicción de la lente
La idea de la lente gravitacional se sugirió por primera vez en  la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Alrededor de 1912, el propio Einstein dedujo las matemáticas de cómo se desvía la luz a medida que pasa a través del campo gravitacional del Sol. Su idea fue probada posteriormente durante un eclipse total del Sol en mayo de 1919 por los astrónomos Arthur Eddington, Frank Dyson y un equipo de observadores estacionados en ciudades de América del Sur y Brasil. 

Sus observaciones demostraron que existían lentes gravitacionales. Si bien la lente gravitacional ha existido a lo largo de la historia, es bastante seguro decir que se descubrió por primera vez a principios del siglo XX. Hoy en día, se usa para estudiar muchos fenómenos y objetos en el universo distante. Las estrellas y los planetas pueden causar efectos similares a lentes gravitacionales, aunque son difíciles de detectar. Los campos gravitacionales de galaxias y cúmulos de galaxias pueden producir efectos de lente más notables. 

Alguna vez se pensó que el par de objetos brillantes en el centro de esta imagen eran quásares gemelos. En realidad, son dos imágenes de un quásar muy distante con lentes gravitacionales. NASA / STScI

Tipo de lentes gravitacionales
Ahora que los astrónomos pueden observar lentes en todo el universo, han dividido tales fenómenos en dos tipos: lentes fuertes y lentes débiles. La lente fuerte es bastante fácil de entender: si se puede ver con el ojo humano en una imagen (por ejemplo, desde el telescopio espacial Hubble ), entonces es fuerte. Las lentes débiles, por otro lado, no son detectables a simple vista. Los astrónomos tienen que usar técnicas especiales para observar y analizar el proceso.

Debido a la existencia de materia oscura, todas las galaxias distantes tienen un poco de lentes débiles. Las lentes débiles se utilizan para detectar la cantidad de materia oscura en una dirección dada en el espacio. Es una herramienta increíblemente útil para los astrónomos, que les ayuda a comprender la distribución de la materia oscura en el cosmos. Las lentes fuertes también les permiten ver galaxias distantes como lo fueron en el pasado distante, lo que les da una buena idea de cómo eran las condiciones hace miles de millones de años. También aumenta la luz de objetos muy distantes, como las primeras galaxias, y a menudo les da a los astrónomos una idea de la actividad de las galaxias en su juventud.

Este es Abell 370, y muestra una colección de objetos más distantes que son capturados por la atracción gravitacional combinada de un grupo de galaxias en primer plano. Las galaxias con lentes distantes se ven distorsionadas, mientras que las galaxias en racimo parecen bastante normales. NASA / STScI

Otro tipo de lente llamado "microlente" generalmente es causado por una estrella que pasa frente a otra, o contra un objeto más distante. Es posible que la forma del objeto no se distorsione, como ocurre con las lentes más fuertes, pero la intensidad de la luz fluctúa. Eso le dice a los astrónomos que la microlente probablemente estaba involucrada. Curiosamente, los planetas también pueden participar en la microlente mientras pasan entre nosotros y sus estrellas.

La lente gravitacional se produce en todas las longitudes de onda de la luz, desde radio e infrarrojo hasta visible y ultravioleta, lo que tiene sentido, ya que todas son parte del espectro de radiación electromagnética que baña el universo.

La primera lente gravitacional
La primera lente gravitacional (que no sea el experimento de lentes de eclipse de 1919) se descubrió en 1979 cuando los astrónomos observaron algo denominado "QSO Gemelo". QSO es la abreviatura de "objeto cuasi estelar" o quásar. Originalmente, estos astrónomos pensaron que este objeto podría ser un par de gemelos quásar. Después de cuidadosas observaciones utilizando el Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona, los astrónomos pudieron descubrir que no había dos quásares idénticos ( galaxias distantes  muy activas ) cerca uno del otro en el espacio. En cambio, en realidad eran dos imágenes de un quásar más distante que se produjeron cuando la luz del quásar pasó cerca de una gravedad muy masiva a lo largo del recorrido de la luz usando el Very Large Array de Nuevo México.

Un anillo parcial de Einstein conocido como la herradura. Muestra la luz de una galaxia distante deformada por la atracción gravitacional de una galaxia más cercana. NASA / STScI

Anillos y Cruz de Einstein
Desde entonces, se han descubierto muchos objetos con lentes gravitacionales. Los más famosos son los anillos de Einstein, que son objetos con lentes cuya luz forma un "anillo" alrededor del objeto de lentes. En el caso de que la fuente distante, el objeto de lente y los telescopios de la Tierra se alineen, los astrónomos pueden ver un anillo de luz. Estos se llaman "anillos de Einstein", llamados, por supuesto, por el científico cuyo trabajo predijo el fenómeno de la lente gravitacional.

 La Cruz de Einstein es en realidad cuatro imágenes de un solo quásar (la imagen en el centro no es visible a simple vista). Esta imagen fue tomada con la cámara de objeto débil del telescopio espacial Hubble. El objeto que hace la lente se llama "Lente de Huchra" por el difunto astrónomo John Huchra. NASA / STScI

Otro objeto con lente famoso es un quásar llamado Q2237 + 030, o la Cruz de Einstein. Cuando la luz de un quásar a unos 8 mil millones de años luz de la Tierra pasó a través de una galaxia de forma oblonga, creó esta extraña forma. Aparecieron cuatro imágenes del quásar (una quinta imagen en el centro no es visible a simple vista), creando un diamante o una forma de cruz. La lente de la galaxia está mucho más cerca de la Tierra que el quásar, a una distancia de aproximadamente 400 millones de años luz. Este objeto ha sido observado varias veces por el telescopio espacial Hubble.

Esta imagen simulada por computadora muestra un agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia. La región negra en el centro representa el horizonte de eventos del agujero negro, donde ninguna luz puede escapar del agarre gravitacional del objeto masivo. La poderosa gravedad del agujero negro distorsiona el espacio a su alrededor como un espejo funhouse, en un proceso conocido como lente gravitacional. La luz de las estrellas de fondo se estira y mancha mientras las estrellas se deslizan por el agujero negro. NASA, ESA y D. Coe, J. Anderson y R. van der Marel (Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial), Crédito de Ciencia: NASA, ESA, C.-P. Ma (Universidad de California, Berkeley) y J. Thomas (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania).

Lente fuerte de objetos distantes
En una escala de distancia cósmica, el telescopio espacial Hubble captura regularmente otras imágenes de lentes gravitacionales. En muchas de sus vistas, las galaxias distantes están unidas en arcos. Los astrónomos usan esas formas para determinar la distribución de masa en los cúmulos de galaxias que realizan la lente o para determinar su distribución de materia oscura. Si bien esas galaxias generalmente son demasiado débiles para ser vistas fácilmente, la lente gravitacional las hace visibles, transmitiendo información a través de miles de millones de años luz para que los astrónomos las estudien.

Los astrónomos continúan estudiando los efectos de las lentes, particularmente cuando están involucrados los agujeros negros. Su gravedad intensa también capta la luz, como se muestra en esta simulación usando una imagen HST del cielo para demostrar.

Fuentes:
- What Is Gravitational Lensing?.  https://hubblesite.org/contents/articles/gravitational-lensing
- Petersen, Carolyn Collins. "Una introducción a la lente gravitacional". ThoughtCo, 11 de febrero de 2020, thoughtco.com/introduction-to-gravitational-lensing-4153504. 
- A brief history of gravitational lensing. https://www.einstein-online.info/en/spotlight/grav_lensing_history/