Lensing gravitazionale, in parole povere

Questo post è una brevissima introduzione (cioè giusto due paroline) al fenomeno delle lenti gravitazionali. Sicuramente ci torneremo spesso su questo argomento in futuro qui su Quantizzando (se non altro perché è un argomento che riguarda la mia tesi di dottorato!).

Dunque, iniziamo.
Il fenomeno dei raggi di luce che “piegano” il loro percorso invece di viaggiare in linea retta è qualcosa di estremamente importante in astrofisica.

Infatti nel 1919 durante una spedizione per osservare un’eclissi di Sole, Sir Arthur Eddington ha potuto scattare alcune foto che hanno confermato il cambiamento della traiettoria della luce esattamente dello stesso valore previsto dalla teoria della Relatività Generale.
E quindi si è trattato della prima conferma sperimentale della teoria di Einstein.

Bisogna precisare che, in un certo senso, anche la teoria gravitazionale formulata da Newton prevede che la luce cambi la sua traiettoria nelle vicinanze di oggetti molto massivi.
Tuttavia, la deviazione prevista da Newton è minore di quella osservata e quindi ecco che abbiamo bisogno di Einstein e della teoria della Relatività Generale per ottenere una corretta descrizione di quello che accade.
Bene, detto questo, cerchiamo di capire cosa accade. Ovvero, perché la luce cambia la sua traiettoria? Di certo, per quanto riguarda l’esperienza quotidiana, questa non è affatto una novità. Infatti sappiamo benissimo che quando la luce passa, per esempio, dall’aria all’acqua. E vediamo tutti quei fantastici giochi ottici dentro i bicchieri.

Fonte: http://mydeejay.deejay.it/contenuto/Effetto-ottico

Dunque, come già detto, abbiamo una lente gravitazionale, nell’universo, quando si osserva la luce di una stella o di una galassia provenire da un posto diverso dalla vera posizione di quella stella o di quella galassia. Insomma la luce non viaggia più in linea retta verso di noi.

A cosa è dovuto ciò? Al fatto che ci sia della materia tra noi e la galassia lontana.

Infatti la teoria della Relatività Generale afferma che la struttura dello spazio-tempo è modificata dalla distribuzione della materia-energia e viceversa. Dunque noi vediamo la luce muoversi lungo traiettorie diverse dalla linea retta perché in quei punti c’è della materia che modifica la struttura dello spazio-tempo.

Come funziona una lente gravitazionale (Fonte:Wikipedia)

Dunque ecco cosa accade con una lente gravitazionale. Accade che tra noi sulla Terra e una galassia lontana si trova una massivo ammasso di galassie. Dunque noi non potremmo vedere la galassia…ma invece la vediamo!

Questo perché, lo ripetiamo, la luce proveniente dalla galassia viaggia in linea diritta ma la presenza dell’ammasso fa curvare la traiettoria e quindi noi vediamo la galassia in un punto del cielo che non è il punto dove la galassia è davvero localizzata, ma appunto vediamo l’immagine attraverso una specie di lente!

Un’ottima spiegazione in termini pratici si può avere grazie ad una candela e un bicchiere di vino (vuoto mi raccomando!) come nella seguente immagine:

Fonte: http://kipac.stanford.edu/kipac/research/gravitational_lensing

Fate finta che la luce della candela rappresenti la galassia lontana e il bicchiere sia il nostro ammasso di galassie.

Come si può vedere anche dalla figura, esistono almeno due regimi di lenti gravitazionale: lente forte e debole.

I due aggettivi parlano da soli. Comunque, per chiarire, si parla di lente gravitazionale forte quando vengono prodotte forti deformazioni delle galassie e più o meno la situazione è quella rappresentata in basso a sinistra nella figura di sopra. Nel caso di lente forte è anche possibile riuscire ad osservare immagini multiple dello stesso oggetto! Dunque nel caso di lensing forte ci vogliono ammassi di galassie parecchio massivi oppure bisogna andare a studiare le zone più interne degli ammassi di galassie. Dagli effetti osservati con una lente forte è possibile studiare dunque i dettaglio la distribuzione di materia all’interno degli ammassi di galassie.

Si parla di lenti deboli invece quando abbiamo qualcosa che assomiglia alla figura in basso a destra (tra le immagini del bicchiere di vino). Si tratta di deformazione e/o ingrandimento di galassie lontane la cui luce, attraversando l’universo subisce parecchie deformazioni a causa della distribuzione della materia (ordinaria o oscura, non importa). L’effetto finale è che nelle vicinanze di un ammasso si possono notare galassie deformate tangenzialmente (ancora una volta, come la figura in basso a destra di sopra). Siccome questo fenomeno è “debole” l’effetto è davvero molto piccolo.

Quindi, diversamente dalle lenti forti, quello che si fa è studiare statisticamente le proprietà di questi effetti. In pratica si misurano le deformazioni di un grande insieme di galassie (il maggior numero possibile!) e si cerca di capire se ci sono correlazioni tra le varie deformazioni. Se le deformazioni sono correlate allora vuol dire che c’è una causa comune che le genera e si tratta dunque di distorsione causate da lenti gravitazionali. Ecco un’immagine di una simulazione di fenomeno di lenti gravitazionali deboli:

Simulazione fatta da B.Jain, U.Seljak e S.White al Berkeley National Laboratory.

Come potete vedere vicino agli ammassi le distorsioni sono tangenzialmente correlate. Misurare questo segnale permette di effettuare una stima dei parametri cosmologici, come ad esempio il contenuto di materia oscura e di energia oscura dell’universo!

Dunque è davvero molto, ma molto, importante effettuare bene le misure di lenti deboli.

E qui nascono i problemi. Infatti misurare le distorsioni vuol dire misurare l’ellitticità delle galassie…ma le galassie sono intrinsecamente ellittiche…

Tuttavia questa è solo la punta dell’iceberg perché vi sono innumerevoli errori tecnici e non solo associati all’elliticità intrinseca delle galassie che rendono le misurazioni di lensing debole una sfida.

Comunque il lensing debole viene misurato e gli astrofisici lavorano per effettuare misurazioni sempre migliori cercando di minimizzare gli errori dato che in linea di principio le lenti gravitazionali possono essere tra gli strumenti astrofisici più potenti in grado di stimare i parametri cosmologici dell’universo.

Per concludere questo post, infine, ecco un’immagine reale di lente gravitazionale molto famoso:

Ammasso di galassie Abell 2218 (immagine presa dall’Hubble Space Telescope).

E anche un esempio meno famoso (sempre del Telescopio Spaziale Hubble) e del tutto casuale ma che ci permette di chiudere questo post (a proposito, grazie per aver letto fino a qui!) con un bel sorriso!