jueves, 31 de marzo de 2022

LAS LUPAS DE NUESTRO UNIVERSO




La teoría de la relatividad general describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Einstein llegó a la conclusión de que la gravedad no es una fuerza, como formuló Newton, sino una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo (el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único concepto). Un cuerpo con masa deforma el espacio-tiempo formando una curvatura que es mayor cuanto más cerca estamos del objeto. Esta deformación es lo que atrae a los cuerpos entre ellos y provoca que otros objetos tales como planetas, satélites, cometas…..que pasen cerca sigan trayectorias curvas.

Ahora bien, ¿Qué ocurre con la luz? ¿También se puede curvar? Aunque pensemos que la luz viaja en línea recta, no siempre es así. La luz procedente de astros brillantes también se curva alrededor de un objeto con masa. Este objeto masivo que curva la trayectoria de la luz se conoce como lente gravitacional.

Recibe este nombre por tener un comportamiento análogo a una lente óptica, que también desvía los rayos de luz. Como consecuencia, la imagen del astro que observamos en el telescopio está desplazada y distorsionada en comparación a como la veríamos en ausencia de la lente, es decir, si la luz hubiera viajado en línea recta. Por otra parte, se observa también un aumento de la luminosidad de la fuente, dicho de otro modo, vemos el objeto más brillante de lo que realmente es. Esto se debe a que la lente gravitacional también focaliza los rayos de luz al igual que una lupa.

Explorando la parte invisible de nuestro universo

Utilizando las lentes gravitacionales, podemos estudiar las estructuras a gran escala de materia del universo a partir de las distribuciones de galaxias que observamos con los telescopios. Sin embargo, la mayoría de la materia del universo está hecha de materia oscura, un tipo de materia que no emite luz y por lo tanto, no podemos observar directamente. Solamente conocemos su existencia gracias a los efectos gravitacionales que ésta ejerce en la materia visible.


Por este motivo, es muy importante conocer la relación entre la distribución de materia oscura y la distribución de galaxias. Las zonas con mayor densidad de materia oscura atraerán gravitacionalmente materia visible como por ejemplo estrellas, polvo y gas cósmico los cuales formarán galaxias en el futuro. Por el contrario, las zonas con menor densidad de materia oscura podrían no contener galaxias.

Una de las cuestiones más abiertas en la ciencia moderna es el de la naturaleza de la materia oscura. Al tratarse de materia, se pensaba que ésta estaría hecha de partículas. Sin embargo, debido a la ausencia de detecciones directas, los cosmólogos empezaron a buscar alternativas a este problema: la posibilidad de que la materia oscura esté hecha, o al menos parcialmente, de objetos compactos tales como agujeros negros. Las lentes gravitacionales son una herramienta poderosa para corroborar esta teoría. En particular la desviación de los rayos de luz será diferente si éstos atraviesan una zona de  materia oscura hecha de objetos compactos o una zona de materia oscura difusa, es decir, hecha de partículas


Determinando la velocidad de expansión del universo


Desde que se formó el espacio y el tiempo con el Big Bang, el universo no ha dejado de expandirse. De hecho, son muchas las observaciones que demuestran que éste se expande de forma acelerada. La ley de Hubble establece que la velocidad a la que se aleja una galaxia es proporcional a la distancia a la que está, es decir, cuanto más lejos se encuentra una galaxia de otra, más rápido se aleja

Durante el siglo XX una de las preguntas fundamentales de la cosmología fue el valor de la constante de proporcionalidad de la ley de Hubble, o lo que es lo mismo, la velocidad de expansión del universo. Esta constante se conoce como constante de Hubble. Actualmente se estima que el valor está entre 67 y 73 (km/s)/Mpc, es decir, las galaxias se alejan de nosotros a unos 70 km/s por cada megapársec (el pársec es la unidad de longitud que se usa en astronomía. Equivale a unos 3 años luz; un megapársec es un millón de pársecs).

Uno de los métodos para determinar el valor de la constante de Hubble utiliza las lentes gravitacionales. Como se ha explicado anteriormente, una lente fuerte puede producir imágenes múltiples que aparecen de una única fuente de luz. En comparación con una trayectoria de luz recta, las trayectorias de luz en presencia de una lente gravitacional son curvas y por tanto más largas. Esto da lugar a un retraso en el tiempo. 

Dicho de otro modo, las imágenes múltiples que observamos no aparecerán simultáneamente sino que aparecerá una detrás de la otra. Pues bien, se puede demostrar que el retraso en el tiempo de aparición de estas imágenes es inversamente proporcional a la constante de Hubble. Por lo tanto, la velocidad de expansión del universo se puede hallar utilizando lentes gravitacionales.

En resumen, las lentes gravitacionales son uno de los fenómenos más espectaculares predichos por la teoría de la relatividad de Einstein. Su evidencia experimental fue el impulso de esta teoría para ser aceptada por la comunidad científica. Las aplicaciones de este efecto son innumerables ya que no necesita luz para ser observado: desde la observación de materia oscura hasta la detección de exoplanetas, y determinación de la velocidad de expansión del universo. Las lentes gravitaciones se postulan como un campo independiente de la cosmología que se utilizará para responder cuestiones fundamentales sobre nuestro universo.

Por Víctor Boscá Navarro 


                                                                                                   

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