¿Qué es una lente gravitacional?: ventanas al espacio profundo

Durante los últimos días el concepto de “lente gravitacional” se ha puesto de moda. El presidente de Estados Unidos reveló la primera imagen tomada con el telescopio espacial James Webb, un hito que los aficionados y profesionales llevaban más de una década esperando. El protagonista de la imagen resultó ser SMACS 0723, un cúmulo de galaxias que actúan gravitatoriamente unas sobre las otras. Puede parecer fascinante y lo es, pero hay algo más que hace de SMACS 0723 un gran candidato para estrenar el James Webb: actúa como una lente gravitacional.

Es impensable decir lo que hemos dicho y no explicar qué significa esa combinación de palabras. “Lente gravitacional” es un concepto que solo se vuelve intuitivo sabemos un poco sobre relatividad general y, si sabemos ese poco, es probable que ya hayamos leído sobre las lentes gravitacionales, por lo que la intuición por sí sola servirá aquí de bien poco. La clave para comprender en qué consiste todo esto (aunque profundizaremos en ellos en los próximos párrafos) es que el cúmulo de estas galaxias suma una masa tan descomunal en esa región del espacio que su fuerza de gravedad es capaz de curvar bastante la luz que pasa cerca de él. Ese efecto puede desviar a la luz de una manera similar a como haría una lente gigante de cristal y, por lo tanto, nos permite ver objetos muy lejanos. Aclarado esto, es hora de hablar de ellas un poco más en detalle.

La culpa es de Einstein

A principios del siglo pasado, Albert Einstein publicó una serie de trabajos que cambiaron la forma en que entendíamos la gravedad. Ya no era tan “sencilla” como Newton había creído, por aquel entonces, gracias a la relatividad general, comenzábamos a comprender la gravedad como una deformación del espacio-tiempo. Normalmente (y aunque implica una serie de problemas importantes) suele decirse que la gravedad deforma al espacio-tiempo como si pusiéramos una bola de bolos en una cama elástica. La masa del objeto hará que la lona se curve más o menos, dejándola en un hoyo de tela. Si lanzo un par de canicas en esa cama elástica hundida, caerán por el desnivel y, si tienen la trayectoria correcta, empezarán a describir una espiral a medida que caen en torno a la bola de bolos.

Más o menos así funcionaría la gravedad, salvo que, claro, el espacio-tiempo no es una lona de dos dimensiones que se hunda solo hacia abajo… tiene tres dimensiones y se deforma de otra manera diferente, más parecido a una malla hecha por cubos donde los más cercanos al objeto se encogen, acercando sus vértices a lo que esté causando la deformación. Ahora bien, si esto es cierto, un objeto con suficiente masa podría ejercer una atracción gravitatoria capaz de curvar incluso a la misma luz, a pesar de su velocidad y la masa casi despreciable de los fotones que la componen. Ahora bien, esto que parece solo una curiosidad, tiene implicaciones sorprendentes, porque según cómo deformen esa luz, podemos ver cosas fascinantes.

Una lente sin cristal

La lente de una lupa o de un telescopio tienen forma de lenteja, más gruesa por el centro que por los bordes. Esto hace que la luz que atraviesa el cristal cambie su dirección y los rayos que antes iban paralelos, al salir por el otro lado de la lente, se curven unos hacia otros, concentrándose en un punto concreto. Eso es lo que hace que las imágenes se enfoquen precisamente en nuestra retina o que los niños puedan quemar cosas usando simplemente una lupa y la luz del sol. Ahora bien, si la clave de este efecto magnificador de la imagen se debe solo a una curvatura concreta de la luz, y ya hemos dicho que la gravedad puede doblar la trayectoria de los rayos de luz… entonces cabe esperar que la gravedad pueda funcionar como una lupa gigante.

Lo que ocurre, en concreto, es que rayos de luz de objetos muy muy lejanos que habrían viajado paralelos y no habríamos podido ver, llegan al cúmulo de galaxias (por ejemplo), allí, la gravedad tira de algunos de ellos, de los que pasen a la distancia adecuada para que su trayectoria se corrija hasta rodear el cúmulo y doblarse de tal modo que se concentren en nosotros, como si fuéramos la retina de un ojo cósmico donde la gravedad ha funcionado de cristalino, enfocando la imagen. Esa es la idea de las lentes gravitacionales y la primera se encontró en 1919 gracias a un eclipse solar observado por Arthur Eddington. Así que eso es lo que hace el cúmulo SMACS 0723 que ha estado observando el James Webb y, gracias a esa magnificación, nos permite ver mucho más lejos que esos 4,6 millones de años luz a los que se encontraba el cúmulo cuando la luz que nos llega salió de él. De algún modo, las lentes gravitacionales son ventanas al espacio profundo.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Por supuesto, no todas las lentes gravitacionales son iguales, las podemos clasificar en función de cuánto sean capaces de curvar la luz, si son fuertes, débiles o microlentes en las que no se altera la forma de los objetos que hay tras la lente, pero sí cambian su intensidad.

REFERENCIAS (MLA):

• Carroll, Bradley W, and Dale A Ostlie. An Introduction To Modern Astrophysics. Cambridge University Press, 2018.