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pubblicato il 13 settembre 2013 in spazio

Il fenomeno delle lenti gravitazionali

Le lenti gravitazionali
Guardando con attenzione l’immagine, ripresa dal Telescopio Spaziale Hubble, dell’ammasso di galassie denominato Abell 2218, nella costellazione del Dragone, si osservano degli strani archi luminosi. Che cosa sono questi curiosi oggetti? Esistono nell’Universo dei corpi luminosi con questa strana forma?

Abell 2218 è un ammasso di galassie a circa 2 miliardi di anni luce di distanza. È stato usato come una lente gravitazionale per scoprire l'oggetto più distante nota nell'universo partire dal 2004. L'oggetto, una galassia a circa 13 miliardi di anni, è visto dalla Terra, come sarebbe stato a soli 750 milioni di anni dopo il Big Bang. Crediti: Hubble space Telescope, NASA/ESA

Abell 2218 è un ammasso di galassie a circa 2 miliardi di anni luce di distanza. È stato usato come una lente gravitazionale per scoprire l’oggetto più distante nota nell’universo partire dal 2004. L’oggetto, una galassia a circa 13 miliardi di anni, è visto dalla Terra, come sarebbe stato a soli 750 milioni di anni dopo il Big Bang. Crediti: Hubble space Telescope, NASA/ESA

La risposta a questa domanda appartiene a uno dei campi di indagine dell’astrofisica moderna tra i più interessanti e proficui: il fenomeno delle lenti gravitazionali. Grazie alle lenti gravitazionali siamo in grado oggi di misurare direttamente la distribuzione di materia oscura e di stimare la massa totale dell’Universo, definendo con maggiore precisione quale sarà il suo destino ultimo.
Eppure il fenomeno delle lenti gravitazionali è conosciuto da quasi cent’anni, ma solo intorno agli anni ’80 del secolo scorso siamo riusciti a osservarlo e a comprenderne le enormi potenzialità.

Un fenomeno predetto da tempo
Nella 1916 Albert Einsten pubblicò la Teoria della Relatività Generale, nella quale si affermava che la gravità si manifesta come curvatura dello spazio-tempo (la struttura quadrimensionale dell’Universo, le cui coordinate sono lunghezza, larghezza, profondità e il tempo).
Maggiore è la massa dei corpi, maggiore sarà la curvatura dello spazio-tempo, e il moto dei corpi soggetti a un campo gravitazionale si incurverà. Come disse il famoso fisico americano John Archibald Wheeler, “lo spazio dice alla materia come muoversi, la materia dice allo spazio come incurvarsi”.
Sempre secondo Einstein, un raggio di luce, esattamente come un corpo dotato di massa, subisce l’azione del campo gravitazionale, il risultato è quindi l’incurvamento della sua traiettoria. Infatti, se la luce proveniente per esempio da una stella si trova a passare in prossimità del Sole, essa viene deviata dal campo gravitazionale di quest’ultimo. È proprio quello che fu osservato dall’astrofisico Arthur Eddington durante l’eclisse solare del 29 maggio del 1919. Eddington verificò che i raggi di luce che sfioravano il disco del Sole venivano deflessi proprio  della quantità prevista dalla Teoria della Relatività Generale.

Deflessione della luce della stella dovuta alla gravità del Sole. Fonte: http://www.fisicamente.net

Deflessione della luce della stella dovuta alla gravità del Sole. Fonte: http://www.fisicamente.net

Questo esperimento costituì la prima prova diretta della correttezza della Teoria della Relatività Generale.
Einstein, quindi, predisse il fenomeno della lente gravitazionale già nel 1916. In poche parole tale fenomeno si verifica quando un raggio di luce viene deviato dalla sua traiettoria, che altrimenti sarebbe rettilinea, a causa della presenza di un corpo massivo. Più la deflessione aumenta, maggiore è la massa dell’oggetto che si frappone tra la sorgente luminosa e l’osservatore e tanto più radente è il passaggio della luce.
Siccome una sorgente non emette un singolo fascio di luce, ma diversi fasci, ognuno dei quali si troverà a passare a distanze diverse dalla lente, la deflessione sarà differenziale (cioè deflessioni diverse a seconda del fascio di luce).
L’immagine risultante della sorgente sarà modificata e, in taluni casi, questa deflessione può portare a un ingrandimento delle dimensioni della sorgente.
Per questo motivo si parla di lente gravitazionale, perché il fenomeno è simile a ciò che avviene quando un fascio di luce attraversa una lente di ingrandimento. Le lenti gravitazionali quindi, agendo come lente di ingrandimento, ci permettono di osservare sorgenti che non potrebbero mai essere rivelate in assenza di tale effetto perché troppo piccole o deboli.

Scoperta della prima lente gravitazionale
La scoperta della prima lente gravitazionale risale al 1979, quando venne osservato un comportamento decisamente anomalo in una coppia di quasar.

Immagine del primo caso confermato di lente gravitazionale, il doppio quasar 0957 +561. Fonte: www.astr.ua.edu

Immagine del primo caso confermato di lente gravitazionale, il doppio quasar 0957 +561. Fonte: www.astr.ua.edu

I due quasar apparivano molto vicini, erano separati, infatti, da appena 6 secondi d’arco (1 secondo d’arco è l’unità di misura utilizzata per indicare le dimensioni angolari di un oggetto celeste o anche la distanza tra oggetti nel cielo) e risultavano praticamente uguali. Possedevano, infatti, stessa luminosità e stessi spettri con uguali righe di emissione e di assorbimento, di cui si osservava lo stesso spostamento verso il rosso, quindi la medesima velocità di allontanamento.
Da subito si pensò a un sistema binario costituito da due quasar, infatti, in astronomia non è raro osservare sistemi costituiti da due oggetti, come stelle doppie, pulsar. Tuttavia la possibilità che i quasar possedessero entrambi lo stesso spettro, con le stesse righe di emissione e assorbimento era alquanto remota, poiché avrebbe voluto dire che la luce dei quasar aveva attraversato una nube di gas e polveri non troppo lontana dai quasar stessi e che la nube aveva delle caratteristiche (composizione, forma, velocità, …) del tutto insolite.
Venne quindi dichiarato che era stato scoperto il primo caso di lente gravitazionale. Quello che si osservava, quindi, non era un sistema formato da due quasar, bensì un solo quasar la cui immagine veniva sdoppiata dal campo gravitazionale prodotto da un oggetto, probabilmente una galassia ellittica di debole luminosità,  che si trovava tra il quasar e la Terra.
Venne scoperta così la prima lente gravitazionale, denominata Q0957+561!
Che cos’è un quasar?
Un quasar, acronimo di QUASi-stellAR radio source (sorgente radio quasi stellare), è un oggetto astronomico che, osservato con un telescopio ottico, appare come una sorgente puntiforme, quindi  simile a una stella, da qui il nome.

Immagini di un quasar riprese dal telescopio Spaziale Hubble, a destra viene mostrato  il nucleo del quasar. Crediti: HST, NASA

Immagini di un quasar riprese dal telescopio Spaziale Hubble, a destra viene mostrato il nucleo del quasar. Crediti: HST, NASA

Se si osserva però il suo spettro, si scopre un grande spostamento verso il rosso, il che significa che si tratta di sorgenti molto distanti in grado però di emettere enormi quantità di energia, equivalente a quella di cento galassie. Per questo motivo i quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell’Universo. Mostrano inoltre rapide variazioni di luminosità, il che implica che siano molto piccoli, poiché un oggetto non può cambiare luminosità più rapidamente di quanto la luce impiega ad attraversarlo. Probabilmente sono il disco di accrescimento di un buco nero super massiccio, formatosi dalla collisione tra galassie.

Esempi di lenti gravitazionali
Negli anni successivi alla scoperta della prima lente, si scoprirono configurazioni sempre più particolari: quasar quadrupli, denominati “croci di Einstein”, oppure in cosiddetto “anello di Einstein”.
Osserviamo quindi alcune immagini di lenti gravitazionali, la cui forma varia a seconda della distanza e forma della lente e dell’allineamento oggetto-lente-Terra.

Schematizzazione di tre casi di lente gravitazionale: anello di einstein, croce di einstein e archi luminosi. La forma della lente e l'allineamento tra sorgente, lente e osservatore determina distorsioni diverse. Crediti: INAF

Schematizzazione di tre casi di lente gravitazionale: anello di einstein, croce di einstein e archi luminosi. La forma della lente e l’allineamento tra sorgente, lente e osservatore determina distorsioni diverse. Crediti: INAF

Anello di Einstein
Nella prima immagine si osserva che quando la luce proveniente da un quasar viene deviata da una lente di forma sferica con una distribuzione di densità omogenea e l’allineamento tra quasar, lente e Terra è  perfetto, l’immagine che ne risulta è un anello luminoso.

Un assortimento di “anelli di Einstein” fotografati dal Telescopio Spaziale Hubble nel 2005. Crediti: NASA, HST

Un assortimento di “anelli di Einstein” fotografati dal Telescopio Spaziale Hubble nel 2005. Crediti: NASA, HST

Croce di Einstein
Nella seconda immagine si osserva che quando si verifica una allineamento perfetto tra sorgente, lente e osservatore e la lente ha una forma ellissoidale, si ottengono come risultato 4 oggetti luminosi disposti  a forma di croce intorno alla lente. Nella realtà i quattro oggetti altro non sono che un quasar, che si trova dietro una galassia.

L'immagine della cosiddetta “Croce di Einstein”. La lente è rappresentata da una galassia (oggetto centrale), mentre i quattro punti disposti a croce sono l'immagine quadruplicata di un quasar che si trova dietro la galassia. Crediti: NASA-STScI

L’immagine della cosiddetta “Croce di Einstein”. La lente è rappresentata da una galassia (oggetto centrale), mentre i quattro punti disposti a croce sono l’immagine quadruplicata di un quasar che si trova dietro la galassia. Crediti: NASA-STScI

Archi luminosi
Quando la lente è costituita da una distribuzione disomogenea di massa (un ammasso di galassie), si ottengono immagini di archi gravitazionali.
Nell’immagine la massa dell’ammasso di galassie Abell 2218 deforma l’immagine di una galassia lontana facendola apparire sotto la forma di archi.

Le lenti gravitazionali: utili strumenti di indagine astronomica
Ecco alcuni di campi di applicazione del metodo delle lenti gravitazionali:
Materia oscura
Tra i tanti e notevolissimi risultati astrofisici che le lenti gravitazionali hanno permesso di ottenere uno particolarmente significativo è la possibilità di misurare direttamente la presenza di materia oscura all’interno di galassie e ammassi di galassie.
Il gas e le stelle che formano le galassie costituiscono solo una piccola frazione della massa totale  di tutte le strutture su larga scala presenti nell’Universo. Le galassie a spirale come la nostra sono avvolti da aloni di materia invisibile, detta appunto materia oscura, che si estendono oltre il confine segnato dalle ultime stelle. La verifica della presenza di materia oscura si ottiene osservando come cambia la velocità di rotazione del disco al variare della distanza del centro della galassia. Se il moto fosse determinato solo dalla forza gravitazionale di ciò che si osserva, al di là del limite visibile della galassia le velocità dovrebbero diminuire, poiché come accade per i pianeti del Sistema Solare, più lontano si trova un pianeta dal sole, minore sarà la sua velocità di rotazione. Infatti Nettuno ruota intorno al Sole molto più lentamente di Mercurio. Invece nelle galassie si osserva un diverso andamento: la velocità tende si mantiene costante per grandi distanze dal centro galattico, il che significa che sul gas esterno agisce la forza gravitazione di una massa ben più grande rispetto a quelle che agisce sul gas interno.

Grafico della velocità di rotazione in una galassia in funzione della distanza dal centro. La curva tratteggiata rappresenta l'andamento della velocità secondo la legge di Keplero, mentre quella rossa è ciò che viene osservato.  Fonte: www.astronomia.com

Grafico della velocità di rotazione in una galassia in funzione della distanza dal centro. La curva tratteggiata rappresenta l’andamento della velocità secondo la legge di Keplero, mentre quella rossa è ciò che viene osservato. Fonte: www.astronomia.com

Anche le galassie ellittiche possiedono estesi aloni oscuri, come i sistemi a disco. Gli ammassi di galassie hanno una concentrazione di materia oscura ancora maggiore di quella misurata nelle galassie. Perché gli ammassi rimangano in equilibrio è necessario che il moto relativo delle galassie, che tende a disgregare l’ammasso, sia controbilanciato dalla gravità che tende a concentrare tutte le galassie nel centro. Osservando la velocità delle singole galassie dell’ammasso è possibile stimare la massa totale, con il risultato che deve esistere una cospicua massa che non osserviamo ma ch e mantiene il sistema in equilibrio. Ma a quanto ammonta tale massa oscura?
Oggi è possibile stimare la distribuzione della massa dentro un ammasso utilizzando proprio il metodo delle lenti gravitazionali.
Con l’aiuto del fenomeno delle lente gravitazionale siamo quindi in grado di conoscere in maniera dettagliata la distribuzione della massa all’interno della lente, e quindi rendere visibile direttamente la materia oscura.
Distanza dei Quasar
Le lenti gravitazionali possono essere utilizzate come strumento di misura delle distanze di oggetti cosmologici, ossia permettono di sondare le zone più remote del nostro Universo.
Con le lenti gravitazionali è possibile, infatti, misurare con elevata precisione la distanza dei quasar, oggetti che si trovano a distanze enormi. La determinazione della loro distanza oggi avviene sfruttando la teoria dell’espansione dell’Universo e, nello specifico, utilizzando la legge di Hubble che lega la velocità di recessione degli oggetti celesti con la loro distanza. Nella legge di Hubble la velocità di allontanamento e la distanza sono direttamente proporzionali (v= Hd). Più gli oggetti sono lontani, maggiore sarà la loro velocità di allontanamento.
Nella formula la costante di proporzionalità (H) non è però conosciuta con precisione; quindi sono necessarie continue calibrazioni, misurando le distanze con metodi alternativi e confrontando i risultati. Ed è proprio quello che si sta facendo utilizzando le lenti gravitazionali. La determinazione delle distanze dei quasar sfrutta il fatto che molti quasar mostrano rapidissime variazioni di luminosità.  L’immagine che si ottiene sarà composta da due immagini distinte in due tempi diversi, questo perché i percorsi della luce saranno diversi. Misurando il loro ritardo temporale e moltiplicandolo per la velocità della luce si ottiene una misura della differenza di percorso del segnale luminoso, da cui si ottiene poi la distanza del quasar.

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

 
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