11 de Noviembre de 2010
CosmologÍa

Galaxias lejanas y lentes gravitacionales

El telescopio espacial Herschel permite la detección de galaxias lejanas gracias al efecto de lente gravitacional, una de las predicciones de la relatividad general.

Ya hace un siglo que Albert Einsten predijo, en el marco de su teoría de la relatividad general, que la gravedad de un objeto lo bastante masivo (como una galaxia, por ejemplo) debería provocar que la trayectoria de un rayo de luz se curvase de modo apreciable. El fenómeno, denominado lente gravitacional, se explica debido a que un campo gravitatorio modifica la geometría del espaciotiempo circundante, lo que implica la curvatura de los rayos de luz.

Recientemente, imágenes del observatorio espacial Herschel, de la Agencia Espacial Europea, han propiciado el descubrimiento de un conjunto de galaxias muy lejanas y brillantes que normalmente son muy difíciles de observar. Ello ha sido posible, precisamente, gracias al efecto de lente gravitacional. Los resultados acaban de ser publicados en la revista Science.

Según explica Marcos López-Caniego, investigador del Instituto de Física de Cantabria que ha participado en el trabajo: “En estos casos de alineamiento fortuito entre el objeto lejano, la lente y nosotros, la luz del objeto lejano se amplifica, lo que nos permite observarlo como si de un telescopio cósmico se tratara. Este fenómeno nos permite estudiar no sólo las propiedades de objetos muy distantes que, de otra forma, no se podrían ver, sino también la distribución de la materia oscura en la lente”. 

La materia oscura es un tipo de materia que ni emite ni absorbe radiación, por lo que no puede verse, pero cuya existencia puede inferirse a partir de sus efectos gravitatorios sobre otros cuerpos. Si bien se sabe que la gran mayoría de la materia en el universo es materia oscura, nadie sabe de qué se halla compuesta. En los próximos años, se espera que las observaciones de lentes gravitacionales, entre otros tipos de experimentos, ayuden a aclarar sus propiedades.


  • El diagrama ilustra el fenómeno de las lentes gravitacionales. El satélite Herschel y la Tierra se muestran en la parte derecha de la imagen inferior. En azul puede verse la "galaxia-lente", situada a unos 3000 millones de años luz de la Tierra. A la izquierda, en rojo, se observa la galaxia lejana, situada a 11.000 millones de años luz. La gravedad de la galaxia-lente curva la trayectoria de la luz proveniente de la galaxia lejana de la manera en que indican las flechas rojas. Dada la dirección desde la que nos llega esa luz, el efecto aparente es que la galaxia parece mayor. Las nubes rosas indican cómo se ve la galaxia desde la Tierra, distorsionada y amplificada. Créditos: NASA/ESA/Caltech-JPL/Keck/SMA/CSIC

 

Lentes gravitacionales y la teoría de Newton
frente a la relatividad general

Una de las predicciones distintivas de la teoría de la relatividad general de Einstein es que la trayectoria de un rayo de luz debe curvarse bajo el efecto de un campo gravitatorio. ¿Por qué sucede esto y por qué se trata de una predicción exclusiva de la teoría de la gravedad de Einstein, y no de la de Newton?

En la teoría de Newton el espacio es plano. Aquí "plano" no quiere decir "bidimensional". Quiere decir que las propiedades geométricas del espacio son euclídeas: que dos líneas paralelas jamás se cortan, que los ángulos de un triángulo suman 180 grados, y cosas parecidas. En otras palabras, lo que todos nos imaginamos (y lo único que nuestro cerebro es capaz de imaginar) cuando pensamos en las propiedades del espacio tridimensional que nos rodea.

Según la teoría de Newton, en este espacio euclídeo un objeto sigue una trayectoria recta con velocidad constante sólo en ausencia de fuerzas externas; esto es, cuando no hay nada que "tire" de él o que "lo empuje" para algún lado. En particular, un cuerpo se desvía de la trayectoria recta sólo cuando un agente externo ejerce una fuerza sobre él.

En la ley de la gravitación de Newton, un cuerpo, por el solo hecho de tener masa, ejerce una fuerza sobre cualquier otro cuerpo con masa: tira de él hacia sí con una fuerza proporcional al producto de las masas de los dos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Eso provoca que, bajo los efectos de un campo gravitatorio, los cuerpos no sigan líneas rectas, sino curvas, como por ejemplo hace la Tierra bajo los efectos del campo gravitatorio del Sol.

Einstein interpretó todo de otra manera. Concluyó que un campo gravitatorio no curva las trayectorias de los cuerpos, sino el espacio circundante. Los cuerpos en caída libre simplemente seguirían "trayectorias rectas" (geodésicas) en ese espacio curvado. Imaginarse un espacio curvo de tres dimensiones es imposible, pero formular matemáticamente sus propiedades, no. Eso fue lo que hizo Einstein cuando enunció su teoría, basándose para ello en el trabajo de matemáticos y geómetras como Georg Riemann.

Uno podría pensar que ambas descripciones son equivalentes. En dos dimensiones (algo que nuestra mente sí puede visualizar) quizás sea lo mismo decir que una hormiga que camina por una hoja de papel sigue círculos porque se encuentra atada con una cuerda al centro de la hoja, que afirmar que no hay tal cuerda pero que, en su lugar, la superficie por la que camina es la de un balón de fútbol.

El caso es que las teorías de Newton y Einstein predicen fenómenos distintos, y uno de ellos es la curvatura de la luz en un campo gravitatorio. Una manera simplificada de verlo es la siguiente: según Newton, la atracción gravitatoria existe entre cuerpos con masa. La luz no tiene masa, por lo que no se ve afectada por la gravedad. Por tanto, aun al atravesar un campo gravitatorio, la luz se mueve libremente y, en un espacio euclídeo, "libremente" quiere decir "en línea recta". Pero, según la relatividad general, si el espacio es curvo, las trayectorias de cualquier cosa habrán de verse afectadas (ya todos los cuerpos se mueven en el espacio), y eso incluye también a la luz.

Sin embargo, la desviación de los rayos de luz predicha por la relatividad general es mínima, por eso no la experimentamos en situaciones cotidianas. Para observar una desviación apreciable hace falta un campo gravitatorio muy intenso, como el generado por las galaxias que han servido de "lente" en el estudio que describíamos arriba. 

A pesar de su dificultad, tal efecto se observó muy pronto. Ya en 1919, cuatro años después de que Einstein enunciase su teoría, el astrónomo británico Arthur Eddington viajó a África para observar un eclipse solar. Durante el eclipse midió la posición de las estrellas que, desde la Tierra, se veían muy próximas al Sol (normalmente inobservables debido a la deslumbrante luz del astro). Tales estrellas se hallaban desplazadas con respecto a lo que debía ser su posición real. Los cálculos mostraron que el desplazamiento aparente de las estrellas se debía a que su luz, al pasar cerca del campo gravitatorio del Sol, se había desviado una pequeña cantidad. Dicha desviación se encontraba en acuerdo con las predicciones de la relatividad general, por lo que supuso una de las primeras confirmaciones experimentales de la teoría.


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