Guardare l’Universo attraverso una lente gravitazionale

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Cos’è una lente gravitazionale? La materia attrae la luce. E, dove si addensa, crea lenti che ingrandiscono, sdoppiano e distorcono le galassie lontane. L’ammasso Abell 2218, situato nella costellazione del Drago. Oltre alle galassie che lo compongono, si notano 120 deboli archi, immagini ingrandite e distorte di galassie più lontane (vedi schema sotto).|NASA/ESA

Lente gravitazionale è qualsiasi corpo celeste che, per la massa elevatissima, esercita una forza di gravità tale da deviare la luce che gli passa accanto. Per esempio, la luce di una stella, passando accanto a un’altra più vicina all’osservatore, può essere focalizzata, cioè concentrata in un punto, o formare più immagini simili, come se passasse appunto attraverso una lente.

Questa interazione della luce con corpi celesti di massa molto grande fu ipotizzata da Einstein. L’ipotesi fu poi confermata durante un’eclissi totale di Sole: si videro, accanto al disco del Sole, stelle che non si sarebbero dovute vedere, perché nella realtà si trovavano dietro l’astro. Come mai? La loro luce era stata “incurvata” dalla forza di gravità di quest’ultimo.

Come funziona una lente gravitazionale (per esempio Abell 2218). Clicca sull'immagine per ingrandirla.
Come funziona una lente gravitazionale (per esempio Abell 2218). Clicca sull’immagine per ingrandirla.

APPROFONDIMENTO. Il firmamento è colmo di miraggi: stelle che appaiono dove non dovrebbero essere, immagini che si sdoppiano più volte, galassie che si torcono e si assottigliano come fili. Come in un grande caleidoscopio o in una sala degli specchi, il gioco delle immagini dipende infatti da come noi siamo allineati con le sorgenti lontane.Ma le illusioni, in questo caso, non sono create da lastre di vetro o lamine di metallo, bensì dalla forza di gravità di stelle e galassie. Perché la gravità agisce anche sui raggi di luce, deviandoli come fa una lente.

Questi fenomeni, detti “di lente gravitazionale”, fino a trent’anni fa erano considerati curiosità teoriche. Oggi, invece, grazie a strumenti precisi come il telescopio spaziale Hubble e il telescopio Cfht, nelle Hawaii, ne sono stati localizzati a centinaia. E sono utilissimi per studiare la distribuzione di materia e gravità nell’universo.

EFFETTO 1: MIRAGGI COSMICI. Il fatto che la gravità potesse deviare la luce l’aveva intuito già l’astronomo tedesco Johann Georg von Solder, nel 1801. Ma ciò che prima di lui era un’ipotesi, per Einstein fu certezza: «La materia esercita un’attrazione gravitazionale che agisce anche sulla luce, curvandone il cammino» spiega Mario Vietri, docente di astrofisica alla Normale di Pisa. «La luce non ha un peso, ma ha energia. E su questa energia agisce la gravità». Il calcolo di Einstein prevedeva un effetto due volte più intenso rispetto a quanto previsto dalla legge della gravitazione di Newton.

E si rivelò esatto, come fu verificato per la prima volta nel 1919, in uno storico esperimento guidato da Arthur S. Eddington. La posizione delle stelle accanto al Sole, osservò Eddington durante un’eclisse, è leggermente alterata, perché la gravità della nostra stella devia i raggi di luce che le passano vicino. In pratica si tratta di un miraggio come quelli che avvengono nel deserto, anche se lì i raggi luminosi si piegano perché attraversano strati d’aria con temperatura e densità diverse.

È per questo che può apparire l’immagine di un’oasi (che c’è,ma è altrove) là dove invece c’è, per esempio, solo sabbia.

EFFETTO 2: VEDERCI DOPPIO. La gravità del Sole, però, non è sufficiente a creare effetti ottici spettacolari. «La prima vera lente gravitazionale fu osservata e riconosciuta solo nel 1979 dall’astronomo Dennis Walsh del Jodrell Bank Observatory, in Gran Bretagna » ricorda Vietri. «Egli vide due quasar (galassie lontane e luminosissime) vicine e apparentemente uguali, una delle quali era accanto all’immagine di una galassia. Walsh capì che, in realtà, si trattava di due immagini della stessa quasar, che lo raggiungevano attraverso due cammini ottici diversi: uno diretto, e uno deviato dalla gravità della galassia, che si trovava a distanza intermedia. È la stessa cosa che si verifica quando si guarda un oggetto lontano con il bordo degli occhiali. L’oggetto si sdoppia, perché la sua immagine ci raggiunge per due cammini diversi: uno diretto e uno attraverso la lente».

Oggi, di lenti gravitazionali ne conosciamo centinaia, a volte spettacolari, e capaci di raddoppiare, quadruplicare, sestuplicare l’immagine delle sorgenti lontane. 

EFFETTO 3: ZOOM. Come una brava lente ottica, anche una lente gravitazionale ingrandisce le immagini. E le rende decine, talvolta centinaia di volte più luminose. Come nell’ammasso di galassie Abell 2218 (v. foto iniziale dell’articolo). Tra le varie immagini che appaiono nella foto, vi è anche una debole sfumatura che è stata decifrata soltanto pochi mesi fa, grazie anche ai telescopi dell’osservatorio Keck, alle Hawaii: proviene da un’antichissima galassia, che risale a quando l’universo aveva solo 600 milioni di anni d’età, e ci raggiunge dopo aver viaggiato nello spazio per 13,4 miliardi di anni. E dopo essere stata sdoppiata e ingrandita 30 volte da Abell. «Senza l’aiuto della potente lente gravitazionale» dice Richard Ellis del California Institute of Technology, Usa «non avremmo potuto vedere la sorgente».

Non sempre le lenti sono gigantesche. Recentemente, per esempio, un gruppo dello Space Telescope Science Institute (Usa) ha osservato un debole illuminamento di un gruppo di stelle nella nostra galassia e ha attribuito il fenomeno al passaggio di un gruppo di pianeti. Se fosse vero, sarebbe la prima testimonianza di pianeti che circolano liberamente nei cieli, senza girare attorno ad alcun sole. 

EFFETTO 4: DEFORMAZIONE. A questo punto sorge un dubbio: che differenza c’è tra una lente gravitazionale e una normale?

«Le lenti gravitazionali sono astigmatiche » spiega Vietri «e quindi distorcono molto le immagini e non focalizzano in un solo punto i raggi che le raggiungono». Più che a una lente normale, una lente gravitazionale si può perciò paragonare a un calice pieno d’acqua: anche in questo caso la focalizzazione non è perfetta e, se si guarda vicino al fondo, si possono perfino vedere immagini multiple.

«Se la focalizzazione fosse perfetta » conclude Vietri «le lenti si comporterebbero come specchi ustori e vedremmo nel cielo sorgenti luminosissime». 

EFFETTO 5: ROTAZIONE. Oltre a distorcere, le lenti fanno anche ruotare le immagini. Un effetto che è utile per ricostruire le proprietà della lente. «Quando si fa un modello teorico di una lente gravitazionale» spiega Vietri «bisogna tenere conto di tutti i fattori, e soprattutto di distorsione, ingrandimento e rotazione che subiscono tutte le immagini multiple di una stella lontana. È così possibile dedurre in maniera molto precisa, con un’incertezza del 10-20%, la quantità di materia presente nella lente».

«Per questo» continua Vietri «il campo di ricerca più attivo è quello che studia le proprietà delle lenti stesse. In tutti i casi noti, si è visto che il 90% circa della materia che forma galassie e ammassi di galassie è materia oscura». Risolto un problema, ne nasce un altro: la materia oscura, invisibile ai telescopi, si sa che c’è,ma non si sa che cosa sia. Non sarebbe nemmeno composta da atomi, ma da particelle ancora sconosciute. 

BUCO NERO SMASCHERATO. Sempre invisibili, ma di natura diversa, sono i buchi neri, stelle così dense che la loro luce non può fuggire all’attrazione gravitazionale. Vederli direttamente è impossibile. L’unica possibilità è quella di studiare gli effetti del campo gravitazionale intorno a loro.

UNIVERSO A GROVIERA. Talvolta, le informazioni più interessanti si traggono non dallo studio di una singola lente,ma da quello della loro distribuzione statistica. Grazie al conteggio degli eventi di lenti gravitazionali all’interno di un certo volume del cosmo è possibile risalire, con i modelli cosmologici noti, alla struttura geometrica dell’universo.

Lo studio statistico delle lenti permette anche di determinare il modo in cui la materia è distribuita nell’universo. E non senza sorprese. Il cosmo non è infatti composto da ammassi di galassie immerse nello spazio vuoto.

Assomiglia piuttosto a una spugna in cui, tra la materia (composta da una rete di ammassi e materia oscura), si trovano enormi bolle di vuoto. Lo ha stabilito uno studio sulla debole distorsione che questa rete produce sulle immagini delle galassie disseminate nello spazio. Confermando l’impressione che l’universo, nel suo complesso, oltre che una sorta di groviera, sia un caleidoscopio gigante sempre in movimento.

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