Las lentes del espacio

El efecto de lente que produce el campo gravitatorio de los cuerpos estelares sobre la imagen de otras estrellas más lejanas fue predicho por Einstein, pero no fue comprobado hasta 1979, en que se localizó la primera de estas lentes gravitacionales. Hace muy pocos meses se ha comunicado la sexta y última de las descubiertas. La aplicación de esta teoría a los quasars ha permitido descubrir que aquellos que se observan como dobles y cercanos entre sí por efecto de una galaxia interpuesta son en realidad uno solo y también calcular el valor máximo del tamaño del universo. Las incógnitas que subsisten espolean a los científicos a seguir el estudio de estos efectos de tanta importancia para la cosmología.

En 1916, Einstein publicó su teoría general de la relatividad que, entre otras cosas, explicaba la anomalía observada en la órbita del planeta Mercurio alrededor del Sol. Asimismo, la teoría predecía que el campo gravitatorio del Sol curva las trayectorias de los rayos de liz, y que la curvatura será apreciable solamente cuando los rayos pasen suficientemente cerca ¡de éste.En otro artículo publicado en 1911, Einstein ya había adelantado sus resultados con estas palabras: "... que los rayos de luz, al pasar cerca del Sol, serán desviados por su campo gravitatorio, de modo que la distancia angular entre el Sol y una estrella fija que aparezca cercana a él aumentará, en apariencia, en casi un segundo de arco,". Utilizando un eclipse solar que le permitió ver una estrella en dirección cercana a la del borde del disco solar, sir Eddington pudo comprobar, en mayo de 1919 y desde Isla Príncipe (África), que la predicción de Einstein era correcta. En efecto, encontró que la. posición aparente de la estrella respecto de su posición real era precisamente la predicha por la teoría.

Desde entonces se han empleado diversos medios, a cada cual más sofisticado, para comprobar cuantitativamente los aspectos más sutiles de la teoría de Einstein. Y todavía su teoría do gravitación sigue en pie.

Muchos de nosotros hemos jugado de niños con vulgares lupas a encender papeles de cigarrillos con la ayuda de la luz del Sol. Para ello, simplemente buscábamos el punto apropiado tras la lente para colocar el papel. De este modo teníamos 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 energía. La lente, debido a sus propiedades ópticas, curva los rayos de luz.

El Sol, debido a su enorme masa, curva los rayos de luz que pasan por su inmediación, según Einstein y Eddington, y actúa, en cierto sentido, como una lente.

Por tanto, también otros objetos muy pesados, como las estrellas, actuarán como lentes para la luz proveniente de otras estrellas todavía más lejanas.

El razonamiento anterior es correcto. En las décadas de los años veinte y treinta se dedicaron varios artículos 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 cálculos demostraron que el efecto de lente de las estrella sobre otras estrellas más lejanas era, aun en el mejor de los casos minúsculo. Por ello el asunto se olvidó.

Claro que éstos eran tiempos en los que el universo conocido era poco más que nuestra galaxia -Vía Láctea-, aunque ya se empezaba a saber que había otras muchas galaxias a distan cias enormes y que, según Hubble, el universo se expandía.

Núcleos energéticos muy activos

Zwicky, astrónomo genial, personaje curioso y amigo de batallas originales, llegó a pensar que la imagen de alguna galaxia remota podía estar afectada, distorsionada, por el efecto de otra galaxia más cercana que actuara como lente. A pesar de ello, el tema se olvidó durante más de 20 años.

En 1963 se descubrieron los quasars. Hoy en día, la convicción -a falta de una demostración contundente- más generalizada entre los astrónomos es que los quasars son núcleos, muy activos y extraordinariamente energéticos, de galaxias jóvene y lejanas en el universo.

El estudio de la naturaleza de los quasars ha absorbido el esfuerzo de una gran parte de lo astrónomos desde hace 20 años

Sin embargo, los Barnothy tomaron otra ruta. Los Barnothy son un matrimonio de exiliados húngaros en Estados Unidos. Son unas personas muy amables y delicadas que han pasado una vida muy dura en EE UU, quizá porque llegaron allá en el cénit de la época maccarthista que les cerró como profesores las puertas de casi todas las universidades.

Los Barnothy se erigieron, en los años 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 éstos pueden aparecer, por ejemplo, como dobles.

Muy pocos astrónomos tomaron en serio a los Barnothy, ya entrados en años y jubilados. Para la mayoría del establishment fueron el hazmerreír. Sólo unos pocos científicos publicaron unos cálculos y algunas. consideraciones teóricas, más como un ejercicio físico-matemático que por otra cosa.

Entre éstos hay que descatar los del noruego Refsdal, que en 1964 hizo su tesis doctoral calculando ciertos aspectos del efecto. Ahora resulta que los Barnothy tenían razón y que los cálculos de Refsdal son brillantes e importantísimos.

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 sesión aparte, ya que es hoy día un campo de investigación importante.

Hace sólo unos cuantos meses el estudio de las variaciones en la emisión de los dos quasars de la primera lente descubierta parece haber producido una medición espectacular: la del tamaño máximo del universo. En otras palabras, una cota máxima a la constante de Hubble.

Walsh, Carswell y Weyman descubrieron en 1979 la primera lente gravitacional. Observaban en Arizona varios pares de radiofuentes que habían 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 catálogo, Casi un trabajo de rutina. Sorprendentemente, dos objetos que se encontraban cerquísima, al menos en proyección sobre el plano bidimensional del cielo, tenían asimismo los mismos corrimientos al rojo. Es decir, parecían estar a la misma distancia.

La improbabilidad de que dos quasars estén físicamente tan cerca uno del otro y tengan características iguales, como el espectro de radiación, color, etcétera, es tan pequeña que los tres científicos no pudieron menos que aventurar que podría tratarse de dos imágenes de un mismo quasar que estaban producidas por una galaxia a medio camino entre nosotros y el quasar (como en la figura). Y así fue.

¿Dónde estaba la tercera imagen?

A los pocos meses se detectó la galaxia que hace de lente. Subsiguientemente, se estudió en gran detalle la morfología de los dos quasars (que aparentemente son uno) con técnicas interferométricas de radio (microondas). Lo que se fue encontrando fue encajando con la teoría simple de las lentes gravitacionales como en un rompecabezas.

Con ello se aprendió sobre la distribución de masa en la galaxia que hace de lente y en un cúmulo de galaxias más pequeñas alrededor de ésta.

Pero un detalle no encajaba. Puede demostrarse sin gran dificultad que para una galaxia que actúa como lente transparente (toda distribución de masa no puntual actúa como lente transparente) no puede haber un número par de imágenes. Por tanto, ¿donde estaba la tercera?

Claro que también se puede demostrar sin dificultad que la tercera imagen será débil dada la geometría de las otras dos y sus emisiones relativas. ¿Es por eso que no se ve la tercera imagen?

Se inició en 1981 una búsqueda de la tercera imagen utilizando una técnica de radio ultrasensible para este propósito. 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 posición coincide con la de la galaxia que hace de lente, y por ello es tan razonable pensar que sea la tercera imagen como una emisión del núcleo de la galaxia.

En un futuro es posible que el estudio más detallado de esta imagen (de radiación 50 veces más débil que las otras dos) pueda resolver esta ambigüedad. Gracias al trabajo de Refsdal y de otros se puede saber que si se diera algún cambio en el quasar auténtico (al que no vemos) se vería el cambio con distinto retraso en cada una de las imágenes que vemos y que una medición de la diferencia del retraso nos daría una estimación nueva del valor máximo de la constante de Hubble, que según la cosmología moderna es como decir un valor máximo del tamaño del universo.

Seis lentes gravitacionales

Uno de los principales objetivos de los astrónomos desde hace 50 años es medir la constante de Hubble. Ahora parece que Nielsen en Dinamarca ha podido medir un retraso de 1,6 años en la variación de la luminosidad de los dos quasars. Colegas rusos parecen confirmarlo.

Por tanto, parece que tenemos una nueva estimación del valor máximo de la constante de Hubble y resulta que coincide con otras estimaciones anteriores. Sin embargo, la importancia de esta determinación es grande, ya que se basa en un método totalmente independiente de los anteriores.

Desde 1979 hasta hoy se han encontrado seis lentes gravitacionales. En dos casos (el primero y el penúltimo) los quasars son buenos emisores tanto en el visible como en radio, y por ello se centra más la atención en ellos por las posibilidades de su estudio.

Pero, ¿cuántas lentes hay realmente? ¿Están casi todas las imágenes de los quasars, que conocemos en tanto detalle gracias a las técnicas 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 sólo ya el tamaño máximo del universo, sino también de qué modo éste se va decelerando en su expansión?

Éstas son algunas de las preguntas que los astrofísicos se hacen y a las que poco a poco se van encontrando respuestas.