Un Lente Gravitacional es una curvatura espacio – temporal que se genera entre una fuente de luz y un observador, la cual es creada por la presencia de un objeto masivo que se encuentra en su trayectoria. En este artículo desarrollamos todo lo que debe conocer sobre el Lente Gravitacional.
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¿Qué es el lente gravitacional?
El Lente gravitacional, también llamado lente gravitatorio, es la curvatura que se forma cuando la luz que es emitida por un objeto brillante y distante, adquiere esta forma al encontrarse con un objeto masivo como por ejemplo una galaxia, la cual se encuentra ubicada entre la trayectoria del cuerpo emisor de la luz y el observador de la luz. Este tipo de fenómeno, había sido predicho por la teoría de la relatividad de Einstein a principio del siglo XIX.
Esta teoría fue comprobada por Arthur Eddington, un astrónomo que al observar un eclipse solar, se dio cuenta de la curvatura que se formaba en la trayectoria de la luz emitida por las estrellas cuando pasaba cerca del Sol, lo que además generaba un aparente desplazamiento de la posición. Este fenómeno fue una confirmación de una expresión que permite identificar la presencia de objetos robustos y compactos que no son invisibles.
Una característica de este fenómeno es que se hace presente en todo tipo de radiación electromagnética y no presentan el fenómeno de aberración cromática, el cual es una distorsión óptica que se produce porque no es posible a través de un lente enfocar todos los colores y que además todos ellos, coincidan en un mismo punto. Esto quiere decir, que el efecto que se genera no depende de la longitud de onda de luz que emite el cuerpo luminoso, siendo la misma para todos los rangos que existen en el espectro luminoso.
La lente gravitacional es en definitiva un objeto masivo que se ubica en la trayectoria lumínica entre un observador y la fuente de luz a distancia. Lo masivo del obstáculo crea una fuerte curvatura del espacio – tiempo y tiene el efecto de desviar los rayos de luz que pasan cerca de ella, lo que a su vez distorsiona las imágenes recibidas por el observador.
El comportamiento de la luz es tomar la trayectoria más corta, sin embargo, si la trayectoria es modificada por la presencia de un cuerpo masivo, la trayectoria más corta, nunca será una línea recta. Este fenómeno óptico se puede presentar en condiciones de alineación perfecta entre la fuente que emite la luz y el observador, si el rayo de luz pasa por un agujero negro, este último actuaría como el obstáculo, es decir, el lente gravitacional.
El resultado es que el observador ya no verá la estrella, sino que observará un anillo, este anillo es conocido como Anillo de Einstein. Cuando el cuerpo que actúa como un lente es de un tamaño pequeño, realizará por supuesto un efecto menor y a este fenómeno óptico se le denomina micro lente gravitatorio.
Pero hablemos un poco de la historia, la desviación de la luz había sido predicha y cuantificada por Johann Greorg Von Soldner hace más de 200 años, para lo que utilizó como fundamento la física newtoniana, también utilizó como criterio que la luz estaba formada por partículas.
Luego en el año 1911, Einstein obtuvo el mismo resultado utilizando el principio de equivalencia. No obstante, el valor obtenido por este había resultado erróneo y fue con la teoría de la relatividad general cuando predijo que el valor del ángulo generado por la desviación, debería ser en realidad el doble que el calculado con el principio de la equivalencia.
Lo indicado por el físico alemán sería comprobado, al comparar las posiciones de las estrellas más cercanas al limbo solar, las cuales fueron medidas en la ocurrencia de un eclipse de Sol en el año 1919 y posteriormente fueron medidas en la ausencia del Sol. Evidenciando con los resultados obtenidos la teoría de la gravedad.
El fenómeno de lente gravitacional ha sido observado numerosas veces desde entonces, la masa o cuerpo masivo provoca la curvatura del espacio tiempo, generando una entidad de cuatro dimensiones, donde una de las dimensiones es el tiempo y las otras tres dimensiones son el espacio, a esa curvatura es lo que se denomina gravedad.
En la teoría de la Relatividad General de Einstein se describe la interacción gravitatoria, en ella la luz se propaga siguiendo una trayectoria “recta” en el espacio tiempo, sin embargo no necesariamente debe ser así, porque el recorrido lo realiza en el espacio de tres dimensiones al que estamos acostumbrados. Los rayos de luz se desplazan siempre siguiendo la curvatura que la gravedad provoca en el espacio tiempo y de esta forma son desviados si hay una acumulación de masa cerca.
Tipos de lente gravitacional
Los lentes gravitacionales han sido clasificados en tres grupos: lentes fuertes, lentes débiles y en microlentes, de cada uno de ellos hablaremos en detalle. Los criterios para clasificarlos se fundamentan en el tipo de distorsión que se produce en la luz emitida y que es atraída por la gravedad del objeto que se encuentra en su trayectoria.
Por lo tanto es importante que para clasificar a los tipos de lentes gravitacionales, se debe determinar el tamaño del objeto que obstaculiza la trayectoria entre la luz y el observador. De esta manera se reconocen lentes gravitacionales fuertes, los cuales son los más sencillos de comprender, ya que pueden ser detectados a simple vista en una imagen.
Los lentes gravitacionales débiles son más difíciles de detectar, mientras que los microlentes no muestran una distorsión aparente a simple vista. Y recordemos que aunque la mayoría de las veces los lentes son asociadas a los espectros de luz visible, independientemente de ser fuertes, débiles o microlentes, afectarán todo el espectro de ondas electromagnéticas, infrarrojos, ultravioleta e incluso de radio.
Fuertes
Los lentes gravitacionales fuertes, pueden ser identificados a simple vista en una imagen o fotografías astronómicas obtenidas a través de telescopios. Dichos lentes generalmente tienen presente la forma de anillos de Einstein, arcos o múltiples imágenes de un mismo objeto.
Estos lentes gravitacionales son producidos por la presencia de objetos muy masivos, entre los que podemos reconocer que son capaces de generar este tipo de lentes se encuentran los agujeros negros, las galaxias y los grupos de galaxias.
Los lentes gravitacionales fuertes permiten ver objetos que se encuentran muy distantes, especialmente en las galaxias lejanas, al intensificar su luz. Con la observación de la luz distorsionada por las galaxias más distantes, los astrónomos tienen la posibilidad de estudiar las condiciones de hace miles de millones de años e incluso pueden inferir lo que sucedía durante su formación.
Débiles
Los lentes gravitacionales débiles al compararlos con el arco de distorsión de un lente gravitacional fuerte, son más difíciles de detectar. Este tipo de lente es de efecto amplio, debido a que todas las galaxias lejanas están de alguna manera afectadas por un lente gravitacional débil.
Esta aseveración se fundamenta en la existencia de la materia oscura, la cual se encuentra por todos lados y crea lentes gravitacionales. Para que puedan ser identificados o localizados los lentes débiles, requieren el estudio de numerosos objetos de fondo para su detección. Dichos lentes 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 el lente gravitacional.
Microlentes
Los microlentes es común que se formen por el paso u obstaculización de una estrella o planeta delante de otra estrella, también se puede generar el microlente gravitacional por un objeto lejano, sin embargo, la luz del objeto distante no estará tan distorsionada, como ocurre con la distorsión generada por los lentes gravitacionales fuertes.
Ni siquiera logran alcanzar la distorsión de los lentes débiles; por ello se dice que la distorsión generada por un microlente gravitacional puede ser prácticamente imperceptible, no obstante y a pesar de esta característica, la disminución que se produce en la intensidad de la luz, los deja en evidencia.
Para la detección de los microlentes gravitacionales se debe realizar un análisis minucioso, de modo que se puedan identificar las variaciones de la intensidad de la luz en los objetos de fondo. Gracias a la existencia de los microlentes se han podido descubrir planetas extrasolares.
¿Cómo se aplica en la astronomía?
La amplitud de beneficios que ha aportado el descubrimiento de los lentes gravitacionales en la astronomía puede dejarnos sorprendidos. No solo comprobar su existencia fue lo que permitió demostrar la Ley de Relatividad General de Einstein, sino que ha permitido conocer el universo, incluso en momentos de la creación de las galaxias.
En este orden de ideas, la presencia de los lentes gravitacionales ha permitido a los astrónomos analizar los objetos de manera amplificada por el lente gravitacional, utilizando técnicas habituales de fotometría o espectroscopia astronómica.
Sin embargo, el aporte de los lentes gravitacionales no solo queda en facilitar la observación de cuerpos celestes lejanos de millones de años luz, sino que también se han convertido en una herramienta sumamente importante para los estudios de Astrofísica.
Dentro de sus características existen factores que permiten obtener información de calidad a partir de los lentes gravitacionales, sin importar su tipo. En principio dependen directamente de la gravedad del cuerpo que realiza la interferencia entre el rayo de luz y el observador, esto resulta ser un factor que permite estudiar la distribución de la masa del objeto que está generando el lente, sin la necesidad de realizar estimaciones promedios.
Otra característica que es de gran ayuda para los estudios astrofísicos, es que debido a la distorsión generada, la imagen del objeto que está emitiendo el haz de luz se ve aumentada, por lo tanto se recibe una mayor cantidad de luz, de la que podríamos observar en condiciones de ausencia de lentes gravitacionales.
Esta condición permite entonces observar objetos que se encuentran muy lejanos. La presencia de los lentes gravitacionales ha contribuido de manera insospechada a los estudios del universo, debido a que la resolución de los equipos de observación que se tienen en la actualidad, no hubieran permitido el estudio de ciertos objetos que se han podido conocer e identificar gracias a la presencia de estos lentes.
Los mismos pueden ayudar a determinar la masa de los cuerpos celestes. Asimismo existe una teoría que permite calcular la masa del cuerpo que emite la fuente gravitacional que hace de lente, esto se realiza a partir del efecto que se genera sobre la luz que pasa cerca de ella.
¿En qué ayuda esto?, pues permite estimar la masa de cuerpos celestes que no emiten luz propia, sin la presencia del lente gravitacional, este tipo de cuerpos celestes serían invisibles para nosotros; lo que contribuye a confirmar, ajustar y mejorar las hipótesis y teorías del origen y estructura del Universo.
También el lente gravitacional ha sido de gran utilidad en la astronomía, porque ha permitido encontrar planetas extrasolares o también llamados exoplanetas. Con los lentes gravitacionales esta rama de la astronomía se ha visto muy favorecida, ya que si una estrella con un planeta pasa frente a una fuente de luz más lejana, se deformará la imagen de la fuente por efecto de la masa conformada por la estrella y el planeta. Con lo que se podría estimar la masa del exoplaneta, así como la distancia.
Y así como podemos estimar las distancias de los exoplanetas que pueden ser identificados por el lente gravitacional, también se pueden estimar las distancias a los cuerpos celestes que se encuentran más lejanos en el Universo.
Con el lente gravitacional quedaron prácticamente en el olvido los cálculos indirectos, ahora se puede calcular la distancia de un cuerpo celeste, utilizando el retraso entre las imágenes y calcular de manera teórica como una parte del tiempo total, lo que tarda la luz en llegar desde el cuerpo celeste. De esta manera, a partir del retraso medido y la fracción calculada, se puede determinar el tiempo total, que viene siendo la distancia a la que se encuentra.
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