«La masa le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la masa cómo moverse», dijo una vez el físico pionero estadounidense John Wheeler (1911-2008). Wheeler estaba comentando sobre un resultado de Albert Einstein. Teoría de la Relatividad General (1915), que describe cómo el espacio-tiempo puede doblarse como la tela flexible de un trampolín cuando se coloca un objeto pesado sobre él. De acuerdo a Relatividad general, la fuerza gravitacional puede explicarse por la deformación que causa un objeto masivo en el espacio que lo rodea, y esta deformación del espacio-tiempo puede dar como resultado formas extrañas distorsionadas de una manera que se ha comparado con un espejo de «casa de la risa» en un carnaval. En octubre de 2019, los astrónomos publicaron una imagen del Telescopio espacial Hubble (HST) que revela una galaxia apodada la «Arco del resplandor solar» que se ha dividido en una ilusión caleidoscópica extraña y encantadora de una docena de imágenes creadas por un cúmulo masivo de galaxias en primer plano situado a 4.600 millones de años luz de distancia. Esta imagen demuestra maravillosamente la predicción de Einstein de que la gravedad de los objetos masivos en el espacio debería doblar la luz que viaja, causando así algunas distorsiones muy extrañas.
Imagina el trampolín de un niño. Una niña pequeña toma una bola de boliche y la coloca sobre la tela flexible del trampolín. A continuación, su hermano toma un puñado de canicas y las lanza cerca de donde la bola de boliche descansa sobre la tela. Las canicas viajan alrededor del hoyuelo creado en la tela del trampolín por la pesada bola de boliche. Si se quita la bola de boliche, las canicas viajan a lo largo de caminos rectos. La masa de la pesada bola de boliche creó una deformación, una curvatura, en la tela del trampolín que «le decía» a las canicas cómo moverse. La tela del trampolín es Spacetime.
La visión de Einstein de la deformación del espacio-tiempo fue probada en 1919 por las observaciones de un eclipse solar donde se podía medir la flexión del espacio (la tela del trampolín) del Sol (la bola de boliche). Una predicción adicional fue que la deformación crearía un lente gravitacional que, además de la distorsión, aumentaría el tamaño aparente y el brillo de un objeto distante, comportándose como una lupa, para el deleite de los astrónomos que encuentran valiosas tales distorsiones cuando observan objetos distantes en el Universo.
La lupa de la madre naturaleza
El término lentes gravitacionales en sí mismo se refiere al camino que ha tomado la luz que viaja cuando ha sido desviada. Esto sucede cuando la masa de un objeto situado en primer plano deforma la luz que sale de un objeto más alejado situado en el fondo. La luz no tiene que ser luz visible. Puede ser cualquier forma de radiación electromagnética. Debido a los efectos de lentes gravitacionales, los haces de luz que normalmente no habrían sido observables se distorsionan de tal manera que sus caminos vagan hacia el observador. Sin embargo, la luz también se puede deformar para que sus haces viajen lejos del observador.
Hay tres formas diferentes de lentes gravitacionales: lentes fuertes, lentes débiles, y microlentes Las diferencias entre los tres tipos dependen de la posición del objeto de fondo que envía sus haces de luz al espacio, el objeto de primer plano que sirve como lente deformando esa luz, y la posición del observador. Además, la forma y la masa del primer plano lente mismo juega un papel importante. Este objeto de primer plano es lo que determina la cantidad de luz del objeto de fondo que se doblará, así como la ruta que tomará esta luz a través del espacio-tiempo.
El Universo que vemos hoy brilla intensamente con los furiosos y fabulosos fuegos artificiales de billones y billones de estrellas. Los centelleantes habitantes estelares del Universo pueblan los miles de millones de galaxias que habitan en la extensión relativamente pequeña del Espacio-tiempo que llamamos el visible o observable Universo. Los observadores son incapaces de ver lo que pueda existir más allá del horizonte cosmológico (borde) del Universo visible. Esto se debe a que la luz emitida por los objetos brillantes que habitan esas regiones inimaginablemente remotas no ha tenido tiempo suficiente para llegar a nosotros desde el nacimiento del Universo por el Big Bang hace casi 14 mil millones de años. La expansión del Universo y la finita velocidad de la luz han hecho imposible ese viaje.
La velocidad de la luz establece una especie de límite de velocidad universal: ninguna señal conocida puede viajar más rápido que la luz en el vacío. No podemos ver lo que puede existir más allá del horizonte cosmológico, y el mayor de todos los misterios, el secreto sin respuesta de nuestra propia existencia, puede residir en esos dominios muy remotos mucho más allá de nuestra visibilidad. Cuando miramos profundamente en el Espacio, miramos hacia atrás en el Tiempo. Cuanto más distante está un objeto luminoso en el espacio, más tiempo ha tardado su flujo de luz en llegar hasta nosotros. Es imposible ubicar un objeto en el Espacio, sin ubicarlo también en el Tiempo (Tiempo espacial). Las tres dimensiones espaciales que caracterizan nuestro mundo familiar son arriba y abajo, adelante y atrás y de lado a lado. El tiempo es la cuarta dimensión..
Lentes gravitacionales puede magnificar dramáticamente fuentes distantes en el Universo antiguo, Si hay un objeto lo suficientemente masivo al acecho en primer plano que está situado entre la fuente de fondo y las miradas indiscretas de los observadores curiosos.
No fue sino hasta 1979 que la primera lente gravitacional fue confirmado. Una galaxia que de otro modo sería oscura sirvió como lente y dividió y magnificó la luz de un control remoto quásar situado muy atrás en un dúo de imágenes. lente gravitacional Las observaciones de hoy en día se utilizan con frecuencia para descubrir nuevos exoplanetas estrellas en órbita más allá de nuestro Sol. Los astrónomos se acercan a galaxias muy remotas y luego mapean la distribución de lo que de otro modo sería transparente e invisible. materia oscura.
Materia oscura se cree que es una forma exótica de materia compuesta de partículas no atómicas, que no interactúan con la luz, razón por la cual es invisible. Se cree que es la forma de materia más abundante en el Universo, mucho más abundante que la materia atómica «ordinaria» que forma nuestro mundo familiar. Porque materia oscura es transparente, no interactúa con los objetos visibles excepto a través de la fuerza de la gravedad, su existencia no ha sido verificada directamente. Se cree que desempeña el importante papel de «pegamento» gravitacional que mantiene unidas a las galaxias, y sus efectos gravitatorios sobre los objetos que se pueden observar indican que probablemente acecha como un fantasma en el Cosmos.
lentes en el cielo
lente gravitacional revela que el cúmulo de galaxias en primer plano magnifica la Arco de rayos de sol es tan extremadamente masivo que su poderosa gravedad deforma el tejido del espacio-tiempo, doblando y magnificando la luz emitida por el Arco de rayos de sol situado muy atrás de él. Este efecto de distorsión también crea múltiples imágenes de la misma galaxia.
Él Arco de rayos de sol se encuentra a casi 11 mil millones de años luz de nuestro planeta, y ha sido con lente en múltiples imágenes por el cúmulo masivo de primer plano de galaxias que se encuentran entre el Arco de rayos de sol y la tierra Él lentes El fenómeno creó al menos una docena de imágenes de esta galaxia de fondo distante, distribuidas en un cuarteto de arcos principales. Tres de estos arcos se pueden ver en la parte superior derecha de la HST imagen, mientras que un contraarco está situado en la parte inferior izquierda. Sin embargo, el contraarco está parcialmente oculto por una estrella muy brillante en primer plano en nuestra Vía Láctea.
HST utiliza estas lupas gravitacionales en el espacio-tiempo para estudiar objetos que de otro modo serían demasiado tenues, demasiado distantes y demasiado pequeños para que incluso los instrumentos muy sensibles los detecten. Él Arco de rayos de sola pesar de que es uno de los más brillantes de lente gravitacional galaxias, no es una excepción. sin el primer plano lente magnificando y distorsionando su luz distante, sería demasiado débil para que los astrónomos lo detectaran.
Él lente Imágenes creadas de la Arco de rayos de sol son entre 10 y 30 veces más brillantes de lo que sería esta galaxia de fondo sin los efectos de gravitacional lentes. La ampliación habilitada HST para mirar estructuras tan pequeñas como 520 años luz de diámetro que de otro modo serían demasiado diminutas para ser observadas sin el regalo de la Madre Naturaleza de un lente. Las estructuras se asemejan a regiones de nacimiento de estrellas en galaxias cercanas en el Universo local. Esto ayudó a los astrónomos a realizar un estudio detallado de la galaxia remota y su entorno.
HST las observaciones revelan que la Arco de rayos de sol es muy parecida a las galaxias que existieron en un tiempo mucho más temprano en la historia del Universo, tal vez hace tan solo 150 millones de años después del Big Bang.
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