Lentes siderales

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Browniana en el año Internacional de la Luz

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“He pasado ya un tiempo buscando en profundidad la verdad sobre lo que se ha atribuido a los científicos con respecto al poder de incendiar con luz un cuerpo a una distancia lejana, y está relacionado con Arquímedes por la combustión de unas naves de los enemigos con esta clase de artificio, hasta que he conocido el total de los casos en este tema. He investigado con precisión y he recurrido a propósito del tema a lo que he encontrado en los libros de los antiguos y de ellos he extraído lo que contenían, es decir, la descripción de la combustión con la luz del Sol reflejada en un espejo a una distancia cercana; y un tipo de combustión con luz de un cuerpo cercano que se refleja en un espejo. Luego, he continuado el estudio en lo que no está contenido en estos libros hasta deducir la descripción del incendio por medio de la luz del Sol que pasa a través de un instrumento y se refracta en el aire.”

Ibn Sahl “El libro sobre los instrumentos incendiarios “,  Bagdad Siglo X, traducción y análisis  Sara Cerantola, Universidad Ca’ Foscari de Venecia.

Se habla de lente gravitacional por analogía con la óptica. La luz al pasar de un medio a otro se desvía de su curso, fenómeno que llamamos “refracción”. Un lente óptico es un artefacto que aprovecha esa propiedad de la interacción luz y materia haciendo que las imágenes que se generan de los objetos, vistos a través de ellos, aparezcan deformadas. La descripción matemática del fenómeno se eleva con toda la gracia de la geometría y se resume en lo que conocemos como “Ley de Snell” (1621), aun cuando ya aparece explicada en detalle desde el siglo X por el científico islámico Ibn Sahl en “El libro sobre los instrumentos incendiarios”.

Así como cambiar de medio puede desviar la luz, la gravedad también lo hace. Es una predicción muy exitosa de la relatividad general de Einstein. Si la luz pasa cerca de un objeto celeste muy masivo, digamos una galaxia, una estrella, etc, éste curvará su trayectoria apreciablemente.1

En el caso de los lentes gravitacionales, por lo general se forman varias imágenes del mismo objeto, en ocasiones la imagen o las imágenes son líneas o un anillo. Si el objeto que queremos ver, el cuerpo muy masivo que produce el efecto y el observador están en la misma linea, veremos un anillo. En otros escenarios, se crearán múltiples imágenes alargadas. Por supuesto que mientras más masivo es el objeto que hace de lente, más fuerte es su campo gravitacional y por lo tanto desviará más los rayos de luz. Así que, conjunciones de grandes cuerpos estelares son telescopios naturales de escala cosmológica.   

Cumulo de galaxias Abell 2218 ubicado a unos 2.3 mil millones de años luz, usado como lente gravitacional. Crédito de la foto: Telescopio Hubble.
Cúmulo de galaxias Abell 2218 ubicado a unos 2.3 mil millones de años luz, usado como lente gravitacional. Crédito de la foto: Telescopio Hubble.

Durante los años 30, Karl Jansky, un físico de los laboratorios Bell, detectó una interferencia estática en las lineas telefónicas transatlánticas que provenía del espacio exterior, más específicamente de la vía láctea. Con este descubrimiento, se habría marcado el glorioso nacimiento de la radio astronomía. Ya en los años 50 los astrónomos explorarían los cielos usando telescopios de ondas de radio. Bajo ésta técnica, ocurrirían descubrimientos sumamente interesantes, uno de ellos es el de los quasars: quasi-stellar radio sources”. Estos misteriosos objetos tienen la propiedad de emitir tanto en visible como en frecuencias de radio en cantidades significativamente grandes, para lo que se había observado en astronomía hasta el momento. Posteriores estudios que incluyeron el corrimiento al rojo2 mostraron que los quasars son de los objetos más lejanos del universo, (se estima que están a unos 12 mil millones de años luz de la tierra) ubicándolos entonces en el tablón de los objetos más viejos del universo; en otras palabras, son proveedores de evidencia del universo joven. Recordemos que mirar millones de kilómetros en el espacio es hacer un viaje al pasado.

Representación artística de un quasar. Credito: NASA
Representación artística de un quasar. Credito: NASA

Hoy, los astrónomos tienen evidencia de que los quasars son en realidad cuerpos contenidos en centros galácticos activos (esto es, centros que contienen un agujero negro) que expelen grandes cantidades de radiación. Asumiendo todo esto, la distancia a la que parecen estar y sus propiedades, estaríamos en presencia de las etapas tempranas de la formación de las galaxias. Ajá y ¿qué pasó con los lentes gravitacionales? Las galaxias anfitrionas de los quasars son muy difíciles, si bien imposibles, de observar porque el quasar las eclipsa con la cantidad enorme de radiación que despiden, limitando nuestra capacidad para analizar sus propiedades. En este sentido, los lentes gravitacionales han sido de ayuda  invaluable, por ejemplo, en la estimación de la cantidad de masa de dichas galaxias debido a la relación entre la distorsión de la luz y la cantidad de materia. Es decir, usando los quasars como lentes gravitacionales.

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Por otro lado, si el quasar es visto “a través” de un lente gravitacional, se puede estimar la distancia a la que se encuentra.

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La geometría entre fuente, lente gravitacional y observador, puede hacer que los caminos que toma la luz para formar las imágenes tengan longitudes apreciablemente diferentes, de modo tal que desde la Tierra se observe un retraso entre los destellos. El año pasado, un grupo de astrónomos de la NASA, en colaboración con otras instituciones, reportaron haber observado y medido el retraso entre emisiones de destellos de rayos gammas por un blazar –un tipo de quasar que emite cantidades colosales de rayos gamma–, a través de un lente gravitacional, usando el Telescopio Fermi de Área Grande (Fermi-LAT por sus siglas en inglés).

La fuente se conoce como el Blazar B0218+357 y se estima está localizado a 4,35 mil millones de años luz desde la Tierra en dirección de la constelación Triangulum.

Un video vale más que mil imágenes

De las observaciones más emocionantes que hemos logrado con los lentes gravitacionales han sido de supernovas. El retraso entre las señales puede ser muy corto, de días, semanas o incluso de décadas. Un detalle interesante, por ejemplo en el caso particular de la supernova MACS J1149.6+2223 que está a 9,3 mil millones de años luz. En este caso, se forman varias imágenes al pasar por el lente gravitacional, que esta a unos 5 mil millones de años luz. Usando esta increíble técnica de observación cosmológica se han logrado identificar etapasdiferentes de la explosión.

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En general examinando las imágenes formadas a través de lentes gravitacionales y sus diferencias en tiempos de llegada, los científicos pueden estimar la densidad de materia que hay en una región, así como calcular el tiempo que tomaría la luz desde otras direcciones en llegar hasta nosotros. Más interesante aún, se podría usar para estimar la cantidad de materia oscura contenida en un sector del espacio.

  1. Desde el punto de vista teórico lo que sucede es que la materia deforma el espacio-tiempo y nosotros somos capaces de observar cómo ocurre, por ejemplo, a través del comportamiento de la luz. []
  2. Una explicación sobre ésta técnica la encontrarás aquí  []
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