Introducción a las lentes gravitacionales ¿Qué son y como se forman?

cluster MACS J1206

Según la relatividad general, la teoría de Einstein que tiene el campo gravitatorio como elemento central, la presencia de materia curva el espacio-tiempo, y esta curvatura es la responsable de la gravedad. A mayor cantidad de masa, mayor curvatura del espacio-tiempo y, en consecuencia, mayor gravedad.

Las lentes gravitacionales son un fenómeno provocado por el efecto de la gravedad sobre la luz de objetos lejanos, y se han hecho populares como herramienta para estudiar el Universo. Permiten, por ejemplo, observar objetos distantes y viejos que existieron en las primeras etapas de la formación del Universo o estimar la distribución de la materia oscura.

¿Qué es una lente gravitacional?

El concepto de lente gravitacional es bastante simple: la masa produce atracción gravitatoria, y si un objeto es suficientemente masivo, podrá curvar incluso a la luz que pase cerca y caiga bajo la influencia de su campo gravitatorio.

El campo gravitatorio de un objeto masivo, como una estrella, una galaxia, un agujero negro, o incluso un planeta, atrae más fuertemente a los objetos más cercanos. Cuando la luz proveniente de una fuente distante y situada detrás pasa cerca, se verá afectada por el campo gravitatorio, curvada y reenfocada.

En realidad, la luz no es curvada. La gravedad curva el tejido espacio-tiempo, la luz simplemente atraviesa ese espacio curvado.

Formación de una lente gravitacional (esquema)
Formación de una lente gravitacional

La imagen que produce una lente gravitacional suele ser una imagen distorsionada de los cuerpos que se sitúan detrás del objeto que crea la lente. Por ejemplo, en la siguiente imagen se puede observar una lente gravitacional producida por la galaxia roja que se ve en el centro de la lente (LRG 3-757); esta galaxia ha distorsionado la luz de una galaxia azul mucho más distante; la distorsión es tal que la luz de la galaxia azul forma casi un anillo completo.

Anillo de Einstein, lente gravitacional en la galaxia LRG 3-757
Anillo de Einstein en la lente gravitacional formada por la galaxia-LRG 3-757

Esta distorsión en forma de anillo fue predicha por Einstein, motivo por el que se conocen como anillos de Einstein. Alrededor de 1912-1916, Einstein pudo calcular como la luz sería desviada al pasar por el campo gravitacional del Sol. El ángulo de desviación de la luz respondería a la siguiente ecuación:

α = 4GM/bc2

La idea de Einstein fue observada en 1919 durante un eclipse total de Sol por diversos astrónomos que concluyeron que las lentes gravitacionales eran reales. Con estos hechos, es justo decir que las lentes gravitacionales fueron descubiertas a principios del siglo XX.

En la actualidad, las lentes gravitacionales son utilizadas para estudiar numerosos fenómenos y objetos del Universo lejano. Las lentes gravitacionales más intensas son producidas por galaxias, clusters de galaxias o agujeros negros, pero también pueden ser producidas por la materia oscura, ya que esta también crea un campo gravitatorio.

Tipos de lentes gravitacionales

Las lentes gravitacionales se pueden clasificar en tres grupos, las lentes fuertes, las lentes débiles y las microlentes:

  1. Las lentes gravitacionales fuertes son las más fáciles de entender, pues son detectadas directamente a simple vista en una imagen, por ejemplo en las imágenes de telescopios. Se ven en forma de anillos de Einstein, arcos o múltiples imágenes de un mismo objeto. Son creadas por objetos muy masivos, como galaxias, grupos de galaxias y agujeros negros.
  2. Las lentes gravitacionales débiles son más difíciles de detectar. Todas las galaxias lejanas están de algún modo afectadas por una lente gravitacional débil, pues la materia oscura está por todos lados y crea lentes gravitacionales. Las lentes débiles requieren el estudio de múltiples objetos de fondo para su detección.
  3. Las microlentes gravitacionales no muestran aparentemente distorsión, pero un análisis pormenorizado puede detectar variaciones débiles en la intensidad de la luz de los objetos de fondo.

Las lentes fuertes permiten ver objetos distantes, sobre todo galaxias lejanas, al intensificar su luz. Al observar la luz de las galaxias más distantes, algunas tan antiguas que su formación se remonta a las primeras fases de expansión del Universo, los astrónomos pueden estudiar las condiciones de hace miles de millones de años, e incluso que sucedía durante la formación de estas galaxias. Es decir, las lentes fuertes se utilizan de modo similar a como se utilizan los telescopios.

Las lentes débiles se utilizan para estimar la cantidad de materia oscura presente en el espacio y su distribución. También permiten estimar la masa del objeto que produce la lente.

Las microlentes se suelen formar por el paso de una estrella o planeta delante de otra estrella u otro objeto más lejano. La luz del objeto distante no está tan distorsionada como en las lentes fuertes, ni siquiera alcanza a la distorsión de las lentes débiles; la distorsión de la imagen puede ser prácticamente imperceptible, pero la disminución en la intensidad de la luz pone de manifiesto las microlentes. Gracias a las microlentes se han descubierto numerosos planetas extrasolares.

Aunque las lentes gravitacionales se suelen asociar con luz visible, en realidad afectan a todo el espectro de ondas electromagnéticas, incluyendo radio, infrarrojos, luz visible y ultravioleta.

Para ampliar

  1. Massimo Meneghetti. Introduction to Gravitational Lensing.