Lentes gravitacionales y rayos gamma

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Representación de un “blazard”, de cuyo núcleo surge un potente haz de energía que apunta hacia la Tierra
Image credit: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

A principios de este año 2014, la NASA ha hecho público que un equipo internacional de astrónomos ha tomado, utilizando el observatorio Fermi, las primeras muestras de radiaciones gamma a través de una lente gravitacional.

La noticia pude ser muy importante, pero estoy seguro de que va a pasar desapercibida, porque la mayoría de la gente no sabe qué es una lente gravitacional, ni qué utilidad tiene analizar radiaciones gamma procedentes del espacio, ni dónde está el observatorio Fermi.

Sin embargo, el rompecabezas no es tan complicado.

Sir Isaack Newton no escribió mucho sobre la posible curvatura de la luz por el efecto gravitatorio, tan solo una nota indicando que la luz se ve afectada por la gravedad igual que cualquier masa. Para Newton la luz era de naturaleza corpuscular, por lo que poseía masa, aunque muy pequeña. Años después, el astrónomo alemán Johann Georg von Soldner, en 1801, calculó que la luz de una estrella distante al pasar cerca de la superficie del sol se desviaría un ángulo de 0,9 segundos de arco (arcosegundos), por efecto de la gravedad. El astrónomo hizo el ejercicio teórico de acuerdo con las leyes de la física newtoniana; la desviación que calculó era extraordinariamente pequeña, imposible de verificar mediante observaciones prácticas.

Einstein publicó la teoría de la relatividad general en 1915. Sus ideas predecían que los rayos luminosos, en las proximidades de una concentración de masa, tenían que curvarse más de lo que estimaba la mecánica clásica de Newton. La curvatura sería inversamente proporcional a la distancia del rayo luminoso al centro de la masa.  Para un rayo procedente de una estrella que pasara cerca del Sol, si se repetían los cálculos de von Soldner, teniendo en cuenta la teoría de la relatividad general, la desviación sería casi el doble: 1,75 arcosegundos.

Durante el eclipse de Sol total del 29 de mayo de 1919, el secretario de la Royal Astronomical Society, Arthur Eddington y el Astrónomo Real, Franks Watson Dyson, se desplazaron a la isla africana Príncipe, en la costa del golfo de Guinea. El objetivo de su expedición era constatar la teoría de la relatividad de Einstein midiendo la deflexión de los rayos luminosos procedentes de estrellas que, vistas desde la Tierra en aquél momento, aparecieran cerca del Sol. Cuando las estrellas se encuentran en esta posición, con respecto a un observador en la Tierra, no es posible verlas a no ser que un eclipse oculte al Sol, ya que de lo contrario su luz deslumbra por completo al observador. Los astrónomos británicos aprovecharon la oportunidad y tomaron fotografías de estrellas cuyos haces luminosos pasaban cerca de la superficie solar, durante el eclipse.

Arthur Eddington comparó la posición observada de las estrellas, mientras duraba el eclipse, con otras posiciones obtenidas, de las mismas estrellas, en situaciones en las que el Sol no podía alterar sus haces luminosos. Según Eddington, las diferencias de ambas mediciones corroboraban la teoría de la relatividad general de Einstein, al demostrar que en las proximidades de la superficie solar los rayos se curvaban de acuerdo con las predicciones del físico alemán: mucho más de lo que podía esperarse según las leyes de la gravitación de Newton. Hubo algunas discrepancias entre los resultados de le expedición a la isla Príncipe y los que obtuvo otro equipo de astrónomos en Brasil, pero los experimentos de Eddington y sus conclusiones fueron aceptados como válidos por la comunidad científica internacional. Años más tarde, con instrumentos y métodos más precisos se pudo ratificar que los cálculos del británico eran correctos.

Los experimentos de Arthur Eddington y sus colegas revolucionaron el mundo científico al demostrar la validez de las teorías de Einstein. Las noticias ocuparon las cabeceras de los periódicos y el científico alemán se convirtió en un auténtico héroe popular. En marzo de 1921 la ciudad de Nueva York recibió al célebre físico con una nevada blanca de confeti mientras paseaba en un coche descubierto por las calles del “cañón de la gloria” neoyorquino. Nunca un científico había tenido un recibimiento tan apoteósico en aquella ciudad estadounidense y jamás otro hombre de ciencia lo ha vuelto a tener. Durante aquél viaje a Estados Unidos, Einstein dijo que en Alemania sus teorías no habían sido bien recibidas por culpa de los antisemitas y porque él era un pacifista. Un pacifista, igual que el inglés Arthur Eddington quién había estada a punto de ir a la cárcel por manifestarse como “objetor de conciencia” en el Reino Unido, durante la primera guerra mundial.

El hecho de que la luz, procedente de una estrella o de una galaxia lejana, se curve en las proximidades de una gran masa abriría a los astrónomos nuevas posibilidades para investigar el espacio. El propio Einstein anotó que si desde la Tierra se observa una estrella situada en un punto tal que, entre el observador  y el astro, se interponga una gran masa (que puede ser otro cuerpo celeste o varios), los rayos de luz que abandonan la estrella, en distintas direcciones, pueden curvarse y converger en el lugar donde se encuentra el observador terrestre. La masa entre el observador  y la estrella actuaría como una lente, al concentrar los rayos luminosos. Sin embargo, Einstein pensó que era muy improbable encontrar estrellas y masas alineadas, a la distancia exacta, para que este fenómeno se diera en la práctica, por lo que no otorgó mayor importancia a sus anotaciones. En cualquier caso el razonamiento y los cálculos del científico eran válidos y la curvatura de la luz hacía posible la existencia de lo que posteriormente se denominaría como “lentes gravitacionales”.

A Rudi W. Mandl, un emigrante checo que vivía en Estados Unidos, se le ocurrió  que la evolución de la vida en la Tierra podía explicarse gracias al elevado número de mutaciones genéticas inducidas por la fuerte radiación procedente de un misterioso cuerpo celeste. La potencia de la radiación del astro se podía explicar gracias a la intervención de una “lente gravitacional”.

En 1936, Mandl visitó a Einstein en Princeton- donde residía desde hacía ya tres años- para comentarle sus teorías. Al físico le pareció que las ideas de Mandl eran teóricamente factibles, pero muy difíciles de probar, y le aconsejó que no siguiera trabajando en aquella dirección. Pero, a raíz del encuentro, Einstein publicó un artículo sobre las “lentes gravitacionales” y la comunidad científica se hizo eco de las ideas del profesor de Princeton.

Los astrónomos se pusieron a trabajar sobre las sugerencias de Einstein y en 1960, cuando se descubrieron los quasar- unos objetos extraordinariamente brillantes, situados fuera de nuestra galaxia- la teoría sobre las lentes gravitacionales comenzó a dar resultados. La primera lente gravitacional la encontraron en 1979, Dennis Walsh, Robert  F. Carswell y Ray J. Weymann, que identificaron que el quasar doble Q0957+561 era en realidad una imagen doble de un quasar único. La duplicidad en la imagen se producía debido a un efecto de lente gravitacional; es decir, los rayos del quasar llegaban a la Tierra por dos caminos distintos. Desde entonces se han descubierto varias docenas de sistemas con imágenes múltiples y varios “anillos de Einstein”, todo ello producto de los efectos generados por otros objetos celestes intermedios que curvan la luz de los emisores.

En la actualidad, las lentes gravitacionales juegan un papel muy importante en el estudio del Universo, ya que permiten observar estrellas y cuerpos muy alejados así como determinar la existencia de masas “ocultas” y aportar datos acerca de la cantidad de “materia oscura” y otros parámetros relacionados con la teoría del “big bang”.

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Representación de un blazard y una galaxia que actúa como lente gravitacional sobre las radiaciones que emite el haz del blazard.
Image Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

Creo que está bastante claro qué es una lente gravitacional. Con ellas podemos ver mejor objetos celestes lejanos porque concentran la luz que emiten. Es como si el Universo nos hubiera regalado algunos “prismáticos” que ha dejado desperdigados en su interior para que nos ayuden a conocerlo mejor.

En cuanto a los rayos gamma quizá convendría repasar el concepto de luz o de visión. Nosotros podemos ver con los ojos radiaciones electromagnéticas cuyas frecuencias estén en lo que llamamos la banda visible. En el arco iris, del rojo al violeta, podemos observar los colores del espectro visible de menor a mayor frecuencia. Pero con frecuencias inferiores al color rojo hay radiaciones electromagnéticas invisibles, que podemos detectar con receptores especiales. Las microondas y las ondas de radio, están en estas bandas. Por encima del violeta, con frecuencias mayores también hay radiaciones electromagnéticas, las ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Tampoco se ven, pero podemos captarlas con dispositivos electrónicos, al igual que las ondas de radio. Los rayos gamma, ocupan en el espectro electromagnético la banda de frecuencia más alta.

Nuestras retinas son unos magníficos receptores de las radiaciones del espectro visible (0,4 a 0,8 micrómetros de longitud de onda) y la mayor cantidad de la energía que radia el Sol se encuentra en esa banda. Sin embargo, estas no son las únicas radiaciones que recibimos del espacio. No las vemos, pero podemos detectarlas con receptores especiales.

Las lentes gravitacionales concentran las radiaciones visibles, pero también las que están fuera de esta banda, incluyendo las de mayor frecuencia: los rayos gamma. Estas radiaciones de alta energía se generan en una amplia variedad de procesos en el Universo. Las “galaxias activas” y los “blazard” (que son un tipo especial de galaxia activa), así como  las estrellas de neutrones y las supernovas producen importantes emisiones de rayos gamma.

Las galaxias activas son las que tienen un núcleo que produce la mayor parte de la radiación que emiten. En las galaxias ordinarias la energía que radian se genera en las estrellas y el polvo galáctico de la periferia.  En el núcleo de las galaxias activas hay un agujero negro de altísima densidad que engulle la masa del sistema. En algunas de ellas salen del centro dos chorros de energía en direcciones diametralmente opuestas. Cuando uno de los chorros apunta hacia la Tierra, a esta galaxia activa se le llama “blazar”. Es posible que los “blazar” sean estados primitivos de las galaxias y por eso se encuentran a distancias muy remotas, de miles de millones de años luz.

Hay por tanto cuerpos celestes que nos envían sus señales en unas bandas de frecuencia muy altas, los rayos gamma, y para desentrañar sus misterios necesitamos captar y procesar esta señal. Además, las radiaciones de mayor frecuencia, como los rayos gamma, no pueden atravesar ni siquiera una delgada capa atmosférica por lo que su detección tiene que hacerse desde el espacio y aquí es en donde juega un papel importante el observatorio Fermi.

El observatorio Fermi cuenta con un telescopio espacial diseñado y construido para la detección de rayos gamma, a bordo de un satélite a 560 kilómetros de altura, y da una vuelta a la Tierra cada 95 minutos.

En el mes de septiembre de 2012, el observatorio Fermi detectó una fuente de emisión de rayos gamma, a unos 4,35 mil millones de años luz de la Tierra en la dirección de la constelación Triangulum. En esa dirección se sabía que hay una lente gravitacional. La fuente energética se clasificó con la designación B0218+357 y se catalogó como un “blazar” porque uno de sus chorros de luz apunta hacia nosotros.

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Imagen captada por el telescopio espacial Hubble que muestra el blazar B218+357 visto a través de una lente gravitacional inducida por una galaxia espiral. Las señales de la doble imagen del blazar están separadas un tercio de arcosegundo. En la imagen también puede observarse la espiral que forman los brazos de la galaxia interpuesta que induce el efecto de lente gravitacional.
Image Credit: NASA/ESA and the Hubble Legacy Archive

Entre el “blazar” B0218+357 y la Tierra hay una galaxia espiral, muy similar a la nuestra, a unos 4 mil millones de años luz que hace las veces de lente gravitacional. Las fuerzas gravitatorias de la galaxia doblan la luz del “blazar” y a nosotros nos llegan dos imágenes, separadas una tercera parte de arcosegundo.

Pero, lo más curioso es que como la longitud de los dos trayectos que recorre la luz es distinta, en uno de ellos se ve lo mismo que en el otro, con un pequeño retraso. El retraso de los rayos gamma es mayor, del orden de un día, que el de las emisiones en las frecuencias de radio. Además, mientras que la segunda imagen de radio es mucho más débil que la primera, en el espectro de la radiación gamma, ambas imágenes tienen la misma intensidad. Las diferencias entre las señales, de radio y gamma, observadas a través de la lente gravitacional, sugieren a los astrónomos que las radiaciones se originan en lugares distintos, dentro del “blazar”.

Pero, la noticia importante, para la NASA, es que por primera vez se han analizado radiaciones gamma a través de una lente gravitacional. Si tenemos en cuenta que la mayor parte de la información que nos llega del espacio exterior, es, afortunadamente, en forma de radiación electromagnética, aprender a utilizar los “prismáticos” con los rayos gamma es un buen paso hacia delante.

Con estos progresos quizá algún día descubramos la lente gravitacional de Rudi Mandl, la que focaliza sobre la Tierra las emisiones de rayos ultravioleta o rayos X- de un poderoso  astro- que alteran nuestros genes, o quizá no, que es lo más probable.

Mientras tanto, agradezcamos a la atmósfera su protección y cuidémosla.

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