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ⓘ Lente gravitazionale




Lente gravitazionale
                                     

ⓘ Lente gravitazionale

In astronomia una lente gravitazionale è una distribuzione di materia, come una galassia o un buco nero, in grado di curvare la traiettoria della luce in transito in modo analogo a una lente ottica. Le lenti gravitazionali sono previste dalla teoria della relatività generale, secondo la quale la traiettoria della radiazione elettromagnetica, come la luce, è determinata dalla curvatura dello spazio-tempo prodotta dai corpi celesti. Le prime evidenze sperimentali di tale effetto furono raccolte nel 1919 osservando durante uneclissi totale la deflessione dei raggi luminosi delle stelle prodotta dal Sole, da allora un grande numero di lenti gravitazionali è stato scoperto grazie agli sviluppi tecnologici della strumentazione astronomica.

Leffetto di una lente gravitazionale è la deformazione apparente dellimmagine dei corpi celesti la cui luce emessa si trovi a passare nei pressi delle masse che producono la curvatura dello spazio-tempo. Può accadere che la deviazione dei raggi faccia apparire la loro sorgente spostata rispetto alla sua posizione reale. Per gli stessi motivi, possono verificarsi distorsioni più o meno nette dellimmagine della sorgente per effetto di una lente gravitazionale, come lanello di Einstein.

Le lenti gravitazionali possono agire anche su scala galattica o su ammassi di galassie, ed ha effetti rilevabili anche la massa della materia oscura presente nelluniverso.

                                     

1. Origine teorica e prime osservazioni

Nel 1913 Albert Einstein, nel contenuto di una breve pagina indirizzata a George Hale, ipotizza la possibilità di provare lincurvamento della radiazione elettromagnetica allattraversare i campi gravitazionali esaminando la luce proveniente dalle stelle fisse apparentemente site in prossimità del Sole. Ma in tale scritto la quantità calcolata per langolazione dei raggi luminosi risulta di soli 0.84" secondi darco; successivamente questa misura proposta venne rettificata, dal medesimo autore, con una quantità equivalente a poco più del suo doppio: ossia in 1.75", cifra convalidata dalla rilevazione astronomica realizzata dopo circa sei anni dallinvio della lettera sopra ricordata. In essa tracciato da Einstein si nota lo stilizzato bozzetto ove la linea duna radiazione, iniziata nel punto sinistro dello schema, si piega vicino al bordo duna circonferenza, il disco solare, e continua così appena declinata verso il punto opposto. Probabilmente è il primo diagramma esposto a terzi che illustri il fenomeno qui trattato.

La prima osservazione della deflessione dei raggi luminosi consistette nel misurare semplicemente la variazione della posizione delle stelle per effetto della curvatura dello spazio-tempo attorno al Sole. Il 29 maggio 1919, durante uneclissi di Sole, il gruppo guidato da Arthur Eddington e Frank Watson Dyson osservò che la luce delle stelle nei pressi del disco solare era leggermente deviata, dato che le stelle apparivano in posizioni spostate rispetto al caso in cui erano osservate usualmente, in accordo con la teoria di Einstein. Leclissi permise quindi di osservare chiaramente lo spostamento delle stelle, che altrimenti sarebbe stato impossibile da rilevare vista la luminosità intensa del Sole stesso.

Il risultato dellesperimento fu annunciato il 6 novembre del 1919 a Londra dinanzi alla Royal Society e alla Royal Astronomical Society, riunite nella conferenza stampa per leccezionalità dellevento che sanciva il superamento della teoria relatività generale rispetto alla meccanica classica. La notizia fu presto diffusa dai giornali di tutto il mondo. Infatti, sebbene la teoria corpuscolare della luce, insieme con la legge di gravitazione universale di Newton, prevedessero una deviazione dei raggi luminosi, questa era solo la metà rispetto a quella prevista da Einstein e osservata da Arthur Eddington e Frank Watson Dyson.

                                     

2. Il microlensing

Le microlenti gravitazionali sono un fenomeno astronomico che si origina da sorgenti di lenti gravitazionali che hanno masse minori di quelle delle stelle e delle galassie, come ad esempio i pianeti gassosi. Le microlenti gravitazionali producono solo una variazione della luminosità apparente di un corpo celeste nello sfondo, ma permettono di rilevare la presenza di corpi celesti anche di piccole dimensioni che non emettono luce o altra radiazione elettromagnetica.

                                     

3. Anello di Einstein

Lanello di Einstein è tra i fenomeni più spettacolari prodotti dalle lenti gravitazionali. Si verifica quando la sorgente luminosa ed il corpo celeste che funge da lente gravitazionale risultano posti sulla stessa linea di vista rispetto allosservatore: in questo caso, in conseguenza della simmetria circolare della configurazione ottica si osservano non delle immagini multiple della sorgente ma un anello luminoso centrato sulla posizione in cielo della lente gravitazionale. Un completo anello si verifica se la fonte primaria di radiazione è abbastanza compatta da apparire, rispetto al corpo che flette i suoi raggi, come un punto luminoso e altrettanto compatta devessere la forma della lente, affinché il fascio di radiazione infine ottenuto sia il più regolare possibile. In genere è difficile che tali configurazioni si concretizzino e dunque nella gran maggioranza dei casi più che veri e propri anelli appaiono semi-archi o striature luminose incurvate.



                                     

4. Ulteriori conferme

Le previsioni relativistiche furono sottoposte alla prova sperimentale quando linnovazione tecnologica, negli anni trenta, permise limpiego di antenne telescopiche capaci di captare le onde-radio degli emittenti celesti che ciclicamente si eclissano dietro il Sole. Dal 1937, per merito di Grote Reber, furono disponibili i prototipi dei radiotelescopi. Furono da allora effettuati esperimenti specifici che comprendevano anche lo studio di onde emesse appositamente da sonde quali le Viking e quelle riflesse dai pianeti passanti vicino al bordo solare, come la ricerca proposta da I.Shapiro nel 1964 misurante anche i ritardi del ricevimento dei segnali dovuti alle loro curve nel campo gravitazionale nei cui diagrammi riepilogativi, come quello relativo alleco radar di Venerenel diagramma cartesiano lordinata indica il ritardo in microsecondi e lascissa il tempo in giorni appare un esaustivo accordo con i conti predittivi relativistici

Unulteriore conferma della teoria fu ottenuta nel 1979. Si scoprì lesistenza infatti di due quasar molto vicini tra loro e sorprendentemente simili per luminosità e spettro. In un primo momento venne avanzata lipotesi che si trattasse di un quasar binario, considerata la frequente osservazione in precedenza di oggetti astronomici doppi, come le stelle binarie. Tuttavia dallesame del suo spettro luminoso si notò che la luce proveniente dal supposto quasar binario, nonostante attraversasse una nube di gas e polveri, presentava immagini praticamente identiche. Questa osservazione sarebbe possibile soltanto se lagglomerato gassoso attraversato dalla radiazione luminosa fosse perfettamente omogeneo in ogni punto. Si giunse dunque alla conclusione che si trattava di due immagini dello stesso quasar: fu la prima osservazione diretta dello sdoppiamento dellimmagine di un oggetto astronomico provocata da un campo gravitazionale.

Si tratta del quasar doppio classificato come QSO 0957+561 A/B, composto da due immagini distanti sei arcosecondi. Losservazione iniziò nel 1979 da parte del gruppo di astronomi condotto da D. Walsh, R.F. Carswell e R. J. Weyman. Successivamente, nel 1981, fu ottenuta la conferma definitiva delleffetto lente gravitazionale con lindividuazione della galassia lente YGKOW G1, che in precedenza restava invisibile per la minore risoluzione ottica della strumentazione. La fattibilità di questa direzione di ricerca era stata rilanciata nel 1937 dal noto astronomo Fritz Zwicky, che allora preannunciò limportanza delle galassie quali efficienti motori gravitazionali in grado di curvare, in modo rilevante, lo spazio-tempo.

Uno degli ulteriori eventi, confermanti tale effetto ma riguardante altra categoria di corpo celeste, si è verificato nel 1996 con MACHO-96-BLG-5.

                                     

5. Usi specifici delle lenti gravitazionali

Si sfrutta questo fenomeno per studiare le zone più remote delluniverso o per individuare corpi astronomici meno evidenti ottica gravitazionale come le proprietà di stelle e quasar più lontane o altri oggetti più piccoli o occultati da materia cosmica gassosa.

Tramite losservazione del fenomeno si può misurare con più accuratezza la distanza di un oggetto. Sapendo che le doppie immagini che ci raggiungono percorrono lunghezze differenti è possibile, valutando il ritardo con cui appare una loro eventuale variazione di luminosità, ricavare una stima della lontananza delloggetto emittente qualora esso abbia una temporale e costante variabilità intrinseca dipendente dalla sua natura e dinamica fisica, già conosciuta dallosservatore in oggetti analoghi o simili.

Tal metodo fu in buona parte applicato per migliorare e affinare il fattore calcolato per la costante di Hubble e quindi il ritmo despansione globale delluniverso; nonché per comprendere la distribuzione complessiva della densità denergia nelle regioni cosmiche prossime al nostro orizzonte degli eventi. Se le variazioni radiative osservate avvengono con le modalità specifiche dei modelli relativi a campioni di riferimento, conoscendo forma e concentrazione che provoca la curvatura del campo gravitazionale si può dedurre empiricamente mediante spettroscopia la proprietà originaria delle radiazioni emesse, dunque individuando anche la velocità di allontanamento dei corpi osservati rispetto al punto di controllo terrestre.

Fra i principali enormi ammassi galattici con qualità di potenti lenti se ne scrutano due in particolare: catalogati come Abell-2218 e laltro Abell-1689, le cui distanze stimate rispetto a noi risultano di circa 3 miliardi di anni-luce per luno e 2.200.000.000 di anni-luce per laltro. In questultimo caso, valutando dinamica e intensità della luce deflessa, la maggior parte della sua materia è considerata oscura ossia invisibile ai nostri apparati recettivi e a quelli artificiali e periferica, quindi principalmente non-barionica. Le immagini degli oggetti astronomici ad essi retrostanti e che rendono percepibili a noi risalgono ad oltre 10 miliardi di anni in tempo-luce.