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En 1915, un físico de nombre Albert Einstein publicó una teoría que lograba conectar la curvatura del espacio-tiempo con la energía. Se llama Relatividad General, y Einstein se centró en ella como una forma de llevar la gravedad a su trabajo anterior sobre relatividad especial.

La teoría de la relatividad general dice que la atracción gravitacional entre las masas de los objetos proviene de su deformación del espacio-tiempo. Armado con esta idea, la relatividad general pudo predecir muchas cosas, incluida la confirmación más famosa de que existen ondas gravitacionales. Pero durante mucho tiempo, no hubo pruebas directas. La primera prueba directa provino de lentes gravitacionales.

La atracción gravitacional distorsiona el continuo espacio-tiempo a su alrededor.

Como comentábamos, la energía y la curvatura del espacio-tiempo están relacionadas. Los objetos más masivos son capaces de curvar el propio espacio-tiempo. Piensa en una pelota sobre una sábana estirada: la pelota curva la sábana, y si dejas que un objeto más pequeño se deslice sobre esa sábana, se moverá hacia la pelota.

La sorpresa es que algo absurdamente masivo puede incluso doblar la luz. Sí, la luz, la cosa más rápida para transportar información en el universo, puede doblarse. Eso es lo innovador de la relatividad general, la teoría permite que incluso los objetos sin masa se vean afectados por la gravedad. Los fotones son las partículas que constituyen la luz y tienen masa cero, por lo que la luz puede deformarse en presencia de un fuerte campo gravitatorio.

Cómo funciona y qué tienen que ver las lentes

El hecho de que las lentes puedan distorsionar las imágenes no necesita relatividad en absoluto. Un vaso lleno de agua puede distorsionar la luz detrás o dentro del vaso. En los lentes fotográficos, si no se corrigen, las imágenes se curvan y no se ven realistas.

Los científicos conocen las lentes y sus efectos desde hace mucho tiempo, pero con la llegada de los telescopios, también se dieron cuenta de que los objetos con masas muy grandes (algunas estrellas, galaxias, agujeros negros) distorsionan la luz de manera similar a las lentes aquí en la Tierra. . Entonces, estos objetos celestes se pueden usar como una especie de lente, una lente gravitacional.

Cuando la lente y el objetivo están lo suficientemente cerca (desde una perspectiva astronómica) y estrechamente alineados, se pueden formar múltiples imágenes, que aparecen en forma de arco, esto se denomina lente fuerte. La multiplicación de imágenes de una fuente de luz puede estar desincronizada debido a la curvatura del espacio. Algunas imágenes tardarán más en llegar al observador porque la luz está tomando un camino más largo.

Imagen del telescopio espacial Hubble de LRG 3-757. Una galaxia de primer plano naranja refleja gravitacionalmente una galaxia de fondo azul. La alineación cercana de los dos objetos en el cielo hace que la galaxia de fondo azul (la fuente) aparezca como un anillo de Einstein. (Imagen cortesía de NASA/Agencia Espacial Europea/Hubble).

Cuando la lente y la fuente están en una alineación casi perfecta, la imagen se deforma en forma de anillo, llamado anillo de Einstein-Chwolson. Los fenómenos de imagen múltiple más famosos son las llamadas cruces de Einstein, donde la imagen de una sola fuente se deforma en forma de cruz, aparecen cuatro versiones más del objetivo debido al fenómeno gravitatorio.

Cruz de Einstein. Créditos: Universo Hoy.

Mientras tanto, la lente débil ocurre cuando la imagen está distorsionada, pero sin ninguna copia del objetivo, solo una distorsión con formas alargadas. La microlente, por otro lado, tiene que ver con el movimiento, ya sea la fuente, la lente o nosotros. El movimiento cambia el aumento de las fuentes, lo que hace que los objetos que normalmente son difíciles de observar sean más brillantes.

Microlente gravitacional. Créditos: Grzegorz Pietrzyski.

Demostrando la razón de Einstein

La lente gravitacional fue una de las técnicas clave utilizadas para probar la Relatividad General. En 1919, se observó un eclipse solar en algunos países del hemisferio sur y el cúmulo estelar de Hyades estaba en el mismo rango de visión que el Sol. Sir Frank Watson Dyson envió dos expediciones en diferentes lugares del globo para observar el eclipse coincidentemente, dos lugares de habla portuguesa uno en la República Democrática de So Tom y Prncipe (en ese momento llamada la isla de Prncipe, con Arthur Eddington y Edwin Cottingham , y otra en la ciudad de Sobral en Brasil con Charles Davidson y Andrew Crommelin.

El equipo de Sobral encontró mejores condiciones climáticas y registró 7 imágenes en contraste con los equipos de Príncipe sólo 2 imágenes. Posteriormente se realizó el análisis de las placas fotográficas estimando el ángulo de deflexión a partir de los dos experimentos. Con ambos resultados, considerando la barra de error, la observación confirmó la teoría. A pesar de la evidencia, la confirmación no le dio a Einstein un prestigio inmediato. Otros eclipses tuvieron que ayudar y la comunidad científica se tomó su tiempo para digerir la teoría.

Fotografía del eclipse solar por Arthur Eddington y Edwin Cottingham, Príncipe, 29 de mayo de 1919. Créditos: Royal Astronomical Society.

¿Qué podemos encontrar con las lentes gravitacionales?

Los efectos de lente no ocurren cuando hay una estrella o una galaxia en nuestro rango de visión. La materia oscura es masiva, por lo tanto tiene un campo gravitatorio. Los científicos usan lentes gravitacionales para estimar la cantidad de materia oscura de los cúmulos de galaxias gigantes.

Esta imagen compuesta del telescopio espacial Hubble muestra un anillo fantasmal de materia oscura en el cúmulo de galaxias ZwCl0024+1652. Créditos: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins).

Las microlentes pueden ayudar a los astrónomos/astrofísicos a encontrar exoplanetas. Cuando una lente pasa por delante de una estrella, su brillo tendrá un máximo en perfecta alineación y, a medida que continúa el movimiento, vuelve a la ampliación original. Cada vez que la estrella sea eclipsada por un planeta, aparecerán anomalías en la evolución del brillo y los investigadores podrán confirmar la presencia de un planeta anfitrión.

Encontrar exoplanetas con microlente. Crédito: NASA, ESA y K. Sahu (STScI).

¿Recuerdas el Fondo Cósmico de Microondas (CMB)? Es la imagen más antigua del universo, cuando los fotones podían viajar libremente sin interacción con la materia. Los fotones son luz, todo en el camino de la luz puede doblarlo. Los científicos pueden saber qué tan distorsionado está el CMB analizando la materia oscura.

El Satélite Planck fue el primer instrumento en dar resultados sobre la distribución de la materia oscura en el universo a través de lentes gravitacionales. En la imagen que ilustra esta distribución, el color gris representa la Vía Láctea y las galaxias cercanas muy brillantes; necesitan ser excluidos porque interfieren con las medidas. El azul oscuro son regiones con más materia oscura que las porciones brillantes.

Mapa de todo el cielo de distribución de materia oscura en el Universo. Créditos: ESA y Planck Collaboration.

Si espera una cierta cantidad de esfuerzo, si no lucha solo para detectar algunas galaxias, los científicos ya están pensando en ondas gravitacionales con lentes. ¿Qué tan difícil puede ser eso, verdad? Predicen un impulso en la señal de las ondas gravitacionales si son amplificadas por lentes fuertes. El problema es que también ayuda a aumentar el ruido/errores en las observaciones. Hasta entonces, se está trabajando mucho con lentes gravitacionales, algo que surgió de una teoría muy abstracta, lo que demuestra que el trabajo teórico merece respeto.

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