Un’introduzione al Gravitational Lensing

La maggior parte delle persone ha familiarità con gli strumenti dell'astronomia: telescopi, strumenti specializzati e database. Gli astronomi li usano, oltre ad alcune tecniche speciali per osservare oggetti distanti. Una di queste tecniche è chiamata "lente gravitazionale".

Questo metodo si basa semplicemente sul comportamento peculiare della luce quando passa vicino a oggetti massicci. La gravità di quelle regioni, che di solito contengono galassie giganti o ammassi di galassie, ingrandisce la luce di stelle, galassie e quasar molto distanti. Le osservazioni che utilizzano lenti gravitazionali aiutano gli astronomi a esplorare oggetti che esistevano nelle primissime epoche dell'universo. Rivelano anche l'esistenza di pianeti attorno a stelle lontane. In un modo misterioso, svelano anche la distribuzione della materia oscura che permea l'universo.

Lensing gravitazionale e come funziona. La luce proveniente da un oggetto distante passa da un oggetto più vicino con una forte attrazione gravitazionale. La luce è piegata e distorta e questo crea "immagini" dell'oggetto più distante.
NASA

La meccanica di una lente gravitazionale

Il concetto alla base delle lenti gravitazionali è semplice: tutto nell'universo ha massa e quella massa ha un'attrazione gravitazionale. Se un oggetto è abbastanza massiccio, la sua forte attrazione gravitazionale piegherà la luce mentre passa. Un campo gravitazionale di un oggetto molto massiccio, come un pianeta, una stella o una galassia, o un ammasso di galassie, o anche un buco nero, attira più fortemente gli oggetti nello spazio vicino. Ad esempio, quando i raggi di luce provenienti da un oggetto più distante passano, vengono catturati nel campo gravitazionale, piegati e rimessi a fuoco. L '"immagine" rimessa a fuoco è solitamente una visione distorta degli oggetti più distanti. In alcuni casi estremi, intere galassie di fondo (per esempio) possono finire distorte in forme lunghe, magre, simili a banana tramite l'azione della lente gravitazionale.

La previsione di Lensing

L'idea della lente gravitazionale è stata suggerita per la prima volta nella Teoria della Relatività Generale di Einstein. Intorno al 1912, lo stesso Einstein trasse i calcoli di come la luce viene deviata mentre attraversa il campo gravitazionale del Sole. La sua idea fu successivamente testata durante un'eclissi totale di Sole nel maggio 1919 dagli astronomi Arthur Eddington, Frank Dyson e da un team di osservatori di stanza nelle città del Sud America e del Brasile. Le loro osservazioni hanno dimostrato che esistevano lenti gravitazionali. Sebbene le lenti gravitazionali siano esistite nel corso della storia, è abbastanza sicuro affermare che furono scoperte per la prima volta all'inizio del 1900. Oggi è utilizzato per studiare molti fenomeni e oggetti nell'universo lontano. Stelle e pianeti possono causare effetti di lenti gravitazionali, sebbene siano difficili da rilevare. I campi gravitazionali delle galassie e degli ammassi di galassie possono produrre effetti di lente più evidenti. E ora si scopre che anche la materia oscura (che ha un effetto gravitazionale) causa la lente.

Tipi di lenti gravitazionali

Ora che gli astronomi possono osservare le lenti nell'universo, hanno diviso tali fenomeni in due tipi: forte lente e lente debole. Una lente forte è abbastanza facile da capire: se può essere vista con l'occhio umano in un'immagine (ad esempio, dal telescopio spaziale Hubble), allora è forte. La lentezza debole, d'altra parte, non è rilevabile ad occhio nudo. Gli astronomi devono utilizzare tecniche speciali per osservare e analizzare il processo.

A causa dell'esistenza della materia oscura, tutte le galassie distanti hanno lenti un po 'deboli. La lente debole viene utilizzata per rilevare la quantità di materia oscura in una data direzione nello spazio. È uno strumento incredibilmente utile per gli astronomi, che li aiuta a comprendere la distribuzione della materia oscura nel cosmo. L'ottimizzazione delle lenti consente inoltre loro di vedere galassie lontane com'erano nel lontano passato, il che dà loro una buona idea di come fossero le condizioni miliardi di anni fa. Ingrandisce anche la luce proveniente da oggetti molto distanti, come le prime galassie, e spesso dà agli astronomi un'idea dell'attività delle galassie nella loro giovinezza.

Un altro tipo di lente chiamato "microlente" è solitamente causato da una stella che passa davanti a un'altra, o contro un oggetto più distante. La forma dell'oggetto non può essere distorta, come lo è con lenti più forti, ma l'intensità della luce oscilla. Questo dice agli astronomi che probabilmente era coinvolto il microlensing. È interessante notare che anche i pianeti possono essere coinvolti nel microlensing mentre passano tra noi e le loro stelle.

La lente gravitazionale si verifica a tutte le lunghezze d'onda della luce, dalla radio e dagli infrarossi al visibile e all'ultravioletto, il che ha senso, poiché fanno tutti parte dello spettro della radiazione elettromagnetica che bagna l'universo.

La prima lente gravitazionale

Un tempo si pensava che la coppia di oggetti luminosi al centro di questa immagine fosse due quasar. In realtà sono due immagini di un quasar molto distante che viene proiettato gravitazionalmente.
NASA / STScI

La prima lente gravitazionale (diversa dall'esperimento dell'eclissi del 1919) fu scoperta nel 1979 quando gli astronomi guardarono qualcosa chiamato "Twin QSO" .QSO è l'abbreviazione di "oggetto quasi stellare" o quasar. In origine, questi astronomi pensavano che questo oggetto potesse essere una coppia di gemelli quasar. Dopo attente osservazioni utilizzando il Kitt Peak National Observatory in Arizona, gli astronomi sono stati in grado di capire che non c'erano due quasar identici (galassie distanti molto attive) vicini l'uno all'altro nello spazio. Invece, erano in realtà due immagini di un quasar più distante che sono state prodotte quando la luce del quasar passava vicino a una gravità molto massiccia lungo il percorso della luce. Tale osservazione è stata effettuata in luce ottica (luce visibile) ed è stata successivamente confermata con osservazioni radio utilizzando il Very Large Array nel New Mexico.

Anelli di Einstein

Un anello di Einstein parziale noto come il ferro di cavallo. Mostra la luce di una galassia lontana deformata dall'attrazione gravitazionale di una galassia più vicina.
NASA / STScI

Da quel momento sono stati scoperti molti oggetti con lenti gravitazionali. I più famosi sono gli anelli di Einstein, che sono oggetti con lenti la cui luce forma un "anello" attorno all'oggetto lente. Nell'occasione in cui la sorgente distante, l'oggetto che fa lente e i telescopi sulla Terra si allineano, gli astronomi sono in grado di vedere un anello di luce. Questi sono chiamati "anelli di Einstein", dal nome, ovviamente, allo scienziato il cui lavoro ha predetto il fenomeno della lente gravitazionale.

La famosa croce di Einstein

La Croce di Einstein è in realtà quattro immagini di un singolo quasar (l'immagine al centro non è visibile ad occhio nudo). Questa immagine è stata scattata con la Faint Object Camera del telescopio spaziale Hubble. L'oggetto che fa la lente si chiama "Obiettivo di Huchra" in onore del defunto astronomo John Huchra.
NASA / STScI

Un altro famoso oggetto con lente è un quasar chiamato Q2237 + 030, o Croce di Einstein. Quando la luce di un quasar a circa 8 miliardi di anni luce dalla Terra è passata attraverso una galassia di forma oblunga, ha creato questa strana forma. Apparvero quattro immagini del quasar (una quinta immagine al centro non è visibile ad occhio nudo), creando un diamante o una forma a croce. La galassia con lente è molto più vicina alla Terra rispetto al quasar, a una distanza di circa 400 milioni di anni luce. Questo oggetto è stato osservato più volte dal telescopio spaziale Hubble.

Obiettivo forte di oggetti distanti nel cosmo

Questo è Abell 370 e mostra una raccolta di oggetti più distanti che vengono ripresi dall'attrazione gravitazionale combinata di un ammasso di galassie in primo piano. Le galassie lente distanti sono viste distorte, mentre le galassie a grappolo appaiono abbastanza normali.
NASA / STScI

Su una scala di distanza cosmica, il telescopio spaziale Hubble cattura regolarmente altre immagini di lenti gravitazionali. In molti dei suoi punti di vista, le galassie lontane sono imbrattate in archi. Gli astronomi usano queste forme per determinare la distribuzione della massa negli ammassi di galassie che effettuano la lente o per capire la loro distribuzione della materia oscura. Mentre quelle galassie sono generalmente troppo deboli per essere facilmente viste, le lenti gravitazionali le rendono visibili, trasmettendo informazioni attraverso miliardi di anni luce perché gli astronomi possano studiarle.

Gli astronomi continuano a studiare gli effetti del lensing, in particolare quando sono coinvolti i buchi neri. La loro intensa gravità è anche una lente di luce, come mostrato in questa simulazione usando un'immagine HST del cielo per dimostrare.

Questa immagine simulata al computer mostra un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. La regione nera al centro rappresenta l'orizzonte degli eventi del buco nero, dove nessuna luce può sfuggire alla presa gravitazionale del massiccio oggetto. La potente gravità del buco nero distorce lo spazio intorno ad esso come uno specchio da luna park, in un processo noto come lente gravitazionale. La luce delle stelle sullo sfondo viene allungata e imbrattata mentre le stelle sfiorano il buco nero.
NASA, ESA e D.Coe, J. Anderson e R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Università della California, Berkeley) e J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany).