Einstein e le sue “croci”! Alla scoperta del fenomeno di lente gravitazionale
La "lente gravitazionale" è un fenomeno fisico relativistico il cui effetto è quello di ingrandire ed intensificare la luminosità di oggetti astronomici molto lontani. Esso si manifesta in molteplici modalità tra le più spettacolari delle quali vi sono la "croce" e "l'anello" di Einstein.
Lo spazio profondo è un luogo molto affollato di oggetti astronomici, soprattutto di galassie e di ammassi di galassie. Una chiara idea di cosa sia un cielo affollato la si ha guardando, ad esempio, le prime immagini scattate dal telescopio spaziale Euclid, entrato in funzione poche settimane fa (vedi foto di sotto).
In un cielo così affollato di oggetti astronomici succede spesso che un oggetto molto lontano e, quindi, di dimensioni apparenti molto piccole (diremmo un oggetto di sfondo o in background) venga nascosto da un’altro oggetto astronomico molto più vicino a noi, quindi di dimensioni apparenti più grandi (diremmo un oggetto in primo piano o in foreground), che si trovi lungo la stessa linea di visuale.
Succede che se l'oggetto in background è molto lontano ed è perfettamente nascosto dietro un oggetto in foreground molto massiccio (ad esempio miliardi di volte la massa del Sole), allora si produce il fenomeno, tutt'altro che intuitivo, di lente gravitazionale.
In analogia con la lente di ingrandimento, viene definito "lente gravitazionale" un oggetto astronomico estremamente massiccio, sia esso una stella, o una galassia, un quasar, o un buco nero, … che, deformando lo spazio circostante grazie alla sua elevata massa, produce un’immagine ingrandita ed intensificata in luminosità di oggetti astronomici molto distanti e deboli.
Ma la peculiarità contro-intuitiva della lente gravitazionale è che essa riesce a ingrandire l'immagine solo di oggetti molto più distanti (in background) che però siano totalmente nascosti dall'oggetto più vicino (in foreground), cioè che siano esattamente lungo la stessa linea di visuale.
Come funziona la lente gravitazionale
Che la massa riesca a deformare lo spazio circostante è un concetto ben lontano dalla nostra esperienza quotidiana e, pertanto, come per tutti i fenomeni di cui non abbiamo esperienza personale diretta, può essere piuttosto ostico e difficile da capire o immaginare.
Tuttavia, gli effetti di deformazione dello spazio, quando si ha a che fare con masse molto grandi quali quelle di stelle o intere galassie, sono frequentemente osservati dagli astronomi. Anzi, questi effetti vengono addirittura sfruttati come “lenti di ingrandimento” per osservare oggetti così lontani e deboli che altrimenti non potrebbero essere osservati.
Nell'immagine di sopra, un telescopio spaziale (a sinistra) sta osservando una galassia molto massiccia (la foreground galaxy al centro dell'immagine). Questa è sufficientemente grande da nascondere la visibilità di un'altro oggetto astronomico molto più lontano, un quasar (l'oggetto in background) poiché tutte e due giacciono lungo la stessa linea di visuale.
Mentre nella fisica classica il quasar resterebbe invisibile, nella fisica relativistica i raggi di luce del quasar passando vicino alla galassia, essendo qui lo spazio curvato dalla gravità della stessa, vengono deviati per cui raggiungono il telescopio (è come se la luce facesse un "pallonetto" in termini calcistici). A questo punto, il telescopio vede la galassia e l'immagine sdoppiata (nell'esempio quadruplicata) ingrandita e intensificata del quasar (a destra nella figura). Ciò che il telescopio vede è un oggetto massiccio (la galassia) circondato da immagini uguali di un'altro oggetto molto più lontano posizionato esattamente dietro (il quasar).
In base al grado di allineamento, la lente gravitazionale si manifesterà duplicando l’immagine della galassia lontana, due volte, o quattro volte. L'immagine di copertina riporta una bellissima lente gravitazionale che ricorda molto un fiore a 4 petali. Al centro c'è una galassia ellittica gigante (quella di colore rosso) così massiccia da produrre una lente gravitazionale che rende visibile l'immagine di un'altra galassia (colore blu) che, sebbene molto più lontana e nascosta dalla prima, risulta visibile, luminosa, ingrandita e replicata 4 volte a forma di croce.
In caso di allineamento perfetto la lente gravitazionale produce un intero cerchio, chiamato anello di Einstein.
Che c’entra Einstein?
La curvatura dello spazio in prossimità di una grande massa era stata teorizzata da Einstein nella Teoria della Relatività Generale. Tra le possibili conseguenze di questa deformazione era stato previsto questo fenomeno della lente gravitazionale, e cioè che un oggetto più lontano nascosto da un oggetto massiccio più vicino, avrebbe comunque mostrato la sua immagine, non solo ingrandita ma anche replicata attorno all’oggetto.
L’osservazione di questo fenomeno ha rappresentato una verifica sperimentale della validità della Teoria della Relatività Generale di Einstein.
L’osservazione della prima lente gravitazionale risale al 1979 da parte dell’astronomo Walsh il quale, vedendo due galassie lontane e luminosissime tra loro vicine e apparentemente identiche, accanto all’immagine di una galassia più vicina, capì che, in realtà, si trattava di due immagini della stessa galassia, che lo raggiungevano attraverso due cammini ottici diversi.
La prima croce di Einstein fu osservata dall’astronomo statunitense Huchra nel 1985 il quale osservò la galassia ZW 2237 +030 distante 400 milioni di anni luce circondata da quattro immagini dello stesso quasar G2237 +0305 collocato direttamente dietro ad essa ad una distanza di 8 miliardi di anni luce. Il primo anello di Einstein è stato osservato nel 1998 prodotto dalla sorgente radio MG1131+0456.