Las lentes del espacio

El efecto de lente que produce el campo gravitatorio de los cuerpos estelares sobre la imagen de otras estrellas m¨¢s lejanas fue predicho por Einstein, pero no fue comprobado hasta 1979, en que se localiz¨® la primera de estas lentes gravitacionales. Hace muy pocos meses se ha comunicado la sexta y ¨²ltima de las descubiertas. La aplicaci¨®n de esta teor¨ªa a los quasars ha permitido descubrir que aquellos que se observan como dobles y cercanos entre s¨ª por efecto de una galaxia interpuesta son en realidad uno solo y tambi¨¦n calcular el valor m¨¢ximo del tama?o del universo. Las inc¨®gnitas que subsisten espolean a los cient¨ªficos a seguir el estudio de estos efectos de tanta importancia para la cosmolog¨ªa.

En 1916, Einstein public¨® su teor¨ªa general de la relatividad que, entre otras cosas, explicaba la anomal¨ªa observada en la ¨®rbita del planeta Mercurio alrededor del Sol. Asimismo, la teor¨ªa predec¨ªa que el campo gravitatorio del Sol curva las trayectorias de los rayos de liz, y que la curvatura ser¨¢ apreciable solamente cuando los rayos pasen suficientemente cerca ?de ¨¦ste.En otro art¨ªculo publicado en 1911, Einstein ya hab¨ªa adelantado sus resultados con estas palabras: "... que los rayos de luz, al pasar cerca del Sol, ser¨¢n desviados por su campo gravitatorio, de modo que la distancia angular entre el Sol y una estrella fija que aparezca cercana a ¨¦l aumentar¨¢, en apariencia, en casi un segundo de arco,". Utilizando un eclipse solar que le permiti¨® ver una estrella en direcci¨®n cercana a la del borde del disco solar, sir Eddington pudo comprobar, en mayo de 1919 y desde Isla Pr¨ªncipe (?frica), que la predicci¨®n de Einstein era correcta. En efecto, encontr¨® que la. posici¨®n aparente de la estrella respecto de su posici¨®n real era precisamente la predicha por la teor¨ªa.

Desde entonces se han empleado diversos medios, a cada cual m¨¢s sofisticado, para comprobar cuantitativamente los aspectos m¨¢s sutiles de la teor¨ªa de Einstein. Y todav¨ªa su teor¨ªa do gravitaci¨®n sigue en pie.

Muchos de nosotros hemos jugado de ni?os con vulgares lupas a encender papeles de cigarrillos con la ayuda de la luz del Sol. Para ello, simplemente busc¨¢bamos el punto apropiado tras la lente para colocar el papel. De este modo ten¨ªamos constancia elemental de que los rayos solares se focalizaban hacia ese punto.

En otras palabras, los rayos se curvaban en la lente de vidrio para que habiendo entrado todos ellos paralelos pudieran salir convergentes hacia un foco donde concentraban su energ¨ªa. La lente, debido a sus propiedades ¨®pticas, curva los rayos de luz.

El Sol, debido a su enorme masa, curva los rayos de luz que pasan por su inmediaci¨®n, seg¨²n Einstein y Eddington, y act¨²a, en cierto sentido, como una lente.

Por tanto, tambi¨¦n otros objetos muy pesados, como las estrellas, actuar¨¢n como lentes para la luz proveniente de otras estrellas todav¨ªa m¨¢s lejanas.

El razonamiento anterior es correcto. En las d¨¦cadas de los a?os veinte y treinta se dedicaron varios art¨ªculos al tema, entre ellos uno del propio Einstein Pero que el razonamiento sea correcto sirve de poco mientras el efecto no se pueda medir.

Los c¨¢lculos demostraron que el efecto de lente de las estrella sobre otras estrellas m¨¢s lejanas era, aun en el mejor de los casos min¨²sculo. Por ello el asunto se olvid¨®.

Claro que ¨¦stos eran tiempos en los que el universo conocido era poco m¨¢s que nuestra galaxia -V¨ªa L¨¢ctea-, aunque ya se empezaba a saber que hab¨ªa otras muchas galaxias a distan cias enormes y que, seg¨²n Hubble, el universo se expand¨ªa.

N¨²cleos energ¨¦ticos muy activos

Zwicky, astr¨®nomo genial, personaje curioso y amigo de batallas originales, lleg¨® a pensar que la imagen de alguna galaxia remota pod¨ªa estar afectada, distorsionada, por el efecto de otra galaxia m¨¢s cercana que actuara como lente. A pesar de ello, el tema se olvid¨® durante m¨¢s de 20 a?os.

En 1963 se descubrieron los quasars. Hoy en d¨ªa, la convicci¨®n -a falta de una demostraci¨®n contundente- m¨¢s generalizada entre los astr¨®nomos es que los quasars son n¨²cleos, muy activos y extraordinariamente energ¨¦ticos, de galaxias j¨®vene y lejanas en el universo.

El estudio de la naturaleza de los quasars ha absorbido el esfuerzo de una gran parte de lo astr¨®nomos desde hace 20 a?os

Sin embargo, los Barnothy tomaron otra ruta. Los Barnothy son un matrimonio de exiliados h¨²ngaros en Estados Unidos. Son unas personas muy amables y delicadas que han pasado una vida muy dura en EE UU, quiz¨¢ porque llegaron all¨¢ en el c¨¦nit de la ¨¦poca maccarthista que les cerr¨® como profesores las puertas de casi todas las universidades.

Los Barnothy se erigieron, en los a?os sesenta y setenta, en los abanderados de la idea de que galaxias muy pesadas (por ejemplo, del tipo cD) pueden afectar la imagen de algunos quasars hasta el punto de que ¨¦stos pueden aparecer, por ejemplo, como dobles.

Muy pocos astr¨®nomos tomaron en serio a los Barnothy, ya entrados en a?os y jubilados. Para la mayor¨ªa del establishment fueron el hazmerre¨ªr. S¨®lo unos pocos cient¨ªficos publicaron unos c¨¢lculos y algunas. consideraciones te¨®ricas, m¨¢s como un ejercicio f¨ªsico-matem¨¢tico que por otra cosa.

Entre ¨¦stos hay que descatar los del noruego Refsdal, que en 1964 hizo su tesis doctoral calculando ciertos aspectos del efecto. Ahora resulta que los Barnothy ten¨ªan raz¨®n y que los c¨¢lculos de Refsdal son brillantes e important¨ªsimos.

En efecto, se han descubierto seis lentes gravitacionales. La primera en 1979. La sexta hace muy pocos meses. En las sesiones semestrales de la American Astronomical Society el estudio de las lentes gravitacionales tiene ahora una sesi¨®n aparte, ya que es hoy d¨ªa un campo de investigaci¨®n importante.

Hace s¨®lo unos cuantos meses el estudio de las variaciones en la emisi¨®n de los dos quasars de la primera lente descubierta parece haber producido una medici¨®n espectacular: la del tama?o m¨¢ximo del universo. En otras palabras, una cota m¨¢xima a la constante de Hubble.

Walsh, Carswell y Weyman descubrieron en 1979 la primera lente gravitacional. Observaban en Arizona varios pares de radiofuentes que hab¨ªan sido encontradas y catalogadas previamente en Manchester por un ex, estudiante de Walsh.

Ellos trataban de determinar los corrimientos al rojo (que es un indicador de distancia) de todos los objetos en su cat¨¢logo, Casi un trabajo de rutina. Sorprendentemente, dos objetos que se encontraban cerqu¨ªsima, al menos en proyecci¨®n sobre el plano bidimensional del cielo, ten¨ªan asimismo los mismos corrimientos al rojo. Es decir, parec¨ªan estar a la misma distancia.

La improbabilidad de que dos quasars est¨¦n f¨ªsicamente tan cerca uno del otro y tengan caracter¨ªsticas iguales, como el espectro de radiaci¨®n, color, etc¨¦tera, es tan peque?a que los tres cient¨ªficos no pudieron menos que aventurar que podr¨ªa tratarse de dos im¨¢genes de un mismo quasar que estaban producidas por una galaxia a medio camino entre nosotros y el quasar (como en la figura). Y as¨ª fue.

?D¨®nde estaba la tercera imagen?

A los pocos meses se detect¨® la galaxia que hace de lente. Subsiguientemente, se estudi¨® en gran detalle la morfolog¨ªa de los dos quasars (que aparentemente son uno) con t¨¦cnicas interferom¨¦tricas de radio (microondas). Lo que se fue encontrando fue encajando con la teor¨ªa simple de las lentes gravitacionales como en un rompecabezas.

Con ello se aprendi¨® sobre la distribuci¨®n de masa en la galaxia que hace de lente y en un c¨²mulo de galaxias m¨¢s peque?as alrededor de ¨¦sta.

Pero un detalle no encajaba. Puede demostrarse sin gran dificultad que para una galaxia que act¨²a como lente transparente (toda distribuci¨®n de masa no puntual act¨²a como lente transparente) no puede haber un n¨²mero par de im¨¢genes. Por tanto, ?donde estaba la tercera?

Claro que tambi¨¦n se puede demostrar sin dificultad que la tercera imagen ser¨¢ d¨¦bil dada la geometr¨ªa de las otras dos y sus emisiones relativas. ?Es por eso que no se ve la tercera imagen?

Se inici¨® en 1981 una b¨²squeda de la tercera imagen utilizando una t¨¦cnica de radio ultrasensible para este prop¨®sito. Gorenstein y sus colaboradores en el Massachusetts Institute of Technology encontraron en 1983 una tercera imagen.

?Es la tercera imagen? No se sabe, ya que su posici¨®n coincide con la de la galaxia que hace de lente, y por ello es tan razonable pensar que sea la tercera imagen como una emisi¨®n del n¨²cleo de la galaxia.

En un futuro es posible que el estudio m¨¢s detallado de esta imagen (de radiaci¨®n 50 veces m¨¢s d¨¦bil que las otras dos) pueda resolver esta ambig¨¹edad. Gracias al trabajo de Refsdal y de otros se puede saber que si se diera alg¨²n cambio en el quasar aut¨¦ntico (al que no vemos) se ver¨ªa el cambio con distinto retraso en cada una de las im¨¢genes que vemos y que una medici¨®n de la diferencia del retraso nos dar¨ªa una estimaci¨®n nueva del valor m¨¢ximo de la constante de Hubble, que seg¨²n la cosmolog¨ªa moderna es como decir un valor m¨¢ximo del tama?o del universo.

Seis lentes gravitacionales

Uno de los principales objetivos de los astr¨®nomos desde hace 50 a?os es medir la constante de Hubble. Ahora parece que Nielsen en Dinamarca ha podido medir un retraso de 1,6 a?os en la variaci¨®n de la luminosidad de los dos quasars. Colegas rusos parecen confirmarlo.

Por tanto, parece que tenemos una nueva estimaci¨®n del valor m¨¢ximo de la constante de Hubble y resulta que coincide con otras estimaciones anteriores. Sin embargo, la importancia de esta determinaci¨®n es grande, ya que se basa en un m¨¦todo totalmente independiente de los anteriores.

Desde 1979 hasta hoy se han encontrado seis lentes gravitacionales. En dos casos (el primero y el pen¨²ltimo) los quasars son buenos emisores tanto en el visible como en radio, y por ello se centra m¨¢s la atenci¨®n en ellos por las posibilidades de su estudio.

Pero, ?cu¨¢ntas lentes hay realmente? ?Est¨¢n casi todas las im¨¢genes de los quasars, que conocemos en tanto detalle gracias a las t¨¦cnicas de radio, distorsionadas por otras tantas lentes que, sin embargo, no son suficientemente masivas para formar una segunda y tercera imagen? ?Podemos aprender de estos estudios no s¨®lo ya el tama?o m¨¢ximo del universo, sino tambi¨¦n de qu¨¦ modo ¨¦ste se va decelerando en su expansi¨®n?

?stas son algunas de las preguntas que los astrof¨ªsicos se hacen y a las que poco a poco se van encontrando respuestas.