Lente gravitacional

Definição

Na relatividade geral, a presença de matéria (densidade de energia) pode curvar o espaço-tempo, e o caminho de um raio de luz será desviado como resultado. Este processo é chamado de lente gravitacional e, em muitos casos, pode ser descrito em analogia à deflexão da luz (por exemplo, vidro) lentes em óptica.

Muitos resultados úteis para a cosmologia surgiram do uso dessa propriedade da matéria e da luz.

A lente gravitacional é observada quando a luz de uma estrela ou galáxia é desviada pela gravidade de um objeto massivo, normalmente uma galáxia ou aglomerado de galáxias. Quando esse objeto é posicionado na linha de visão entre nós e a fonte de luz, o fenômeno produz várias imagens do objeto de fundo que são distorcidas e ampliadas

Lente gravitacional – O que é

Conforme a luz emitida por galáxias distantes passa por objetos massivos no universo, a atração gravitacional desses objetos pode distorcer ou dobrar a luz. Isso é chamado de lente gravitacional.

Lentes gravitacionais fortes podem realmente resultar em uma luz tão fortemente curvada que várias imagens da galáxia emissora de luz são formadas.

Lentes gravitacionais fracas resultam em galáxias que parecem distorcidas, esticadas ou ampliadas. Embora difícil de medir para uma galáxia individual, as galáxias agrupadas exibem padrões de lente semelhantes.

Analisar a natureza dos padrões de lentes gravitacionais informa aos astrônomos sobre a forma como a matéria escura é distribuída dentro das galáxias e sua distância da Terra.

Este método fornece uma investigação para investigar o desenvolvimento da estrutura no universo e a expansão do universo.

Lente gravitacional – Luz

A deflexão da luz pela gravidade foi prevista pela Relatividade Geral e confirmada por observação em 1919.

Nas décadas seguintes, vários aspectos do efeito das lentes gravitacionais foram explorados teoricamente.

Entre eles estavam: a possibilidade de imagens múltiplas ou semelhantes a anéis de fontes de fundo, o uso de lentes como um telescópio gravitacional em objetos muito tênues e distantes e a possibilidade de determinar a constante de Hubble com lentes.

Só há relativamente pouco tempo (após a descoberta do primeiro quasar com imagem dupla em 1979), as lentes gravitacionais se tornaram uma ciência observacional. Hoje, as lentes são uma parte em expansão da astrofísica.

Além de quasares com múltiplas imagens, vários outros aspectos das lentes foram descobertos: por exemplo, arcos luminosos gigantes, microlentes de quasares, anéis de Einstein, eventos de microlentes galácticos, arcletes e lentes gravitacionais fracas. Atualmente, são conhecidos literalmente centenas de fenômenos de lentes gravitacionais individuais.

Embora ainda na infância, as lentes se estabeleceram como uma ferramenta astrofísica muito útil, com alguns sucessos notáveis. Contribuiu com novos resultados significativos em áreas tão diferentes como a escala de distância cosmológica, a distribuição de matéria em grande escala no universo, massa e distribuição de massa de aglomerados de galáxias, a física de quasares, matéria escura em halos de galáxias e estrutura de galáxias. Olhando para esses sucessos no passado recente, prevemos um futuro ainda mais luminoso para lentes gravitacionais

Lentes gravitacionais – Astronomia

Lentes gravitacionais, matéria que, através da curvatura do espaço em seu campo gravitacional, altera a direção da luz que passa nas proximidades. O efeito é análogo ao produzido por uma lente.

Uma das previsões mais notáveis da teoria da relatividade geral de Einstein é que a gravidade curva a luz. Esse efeito foi demonstrado pela primeira vez durante um eclipse solar total em 1919, quando as posições das estrelas perto do Sol foram observadas ligeiramente deslocadas de suas posições usuais – um efeito devido à atração da gravidade do Sol quando a luz das estrelas passou perto de o sol.

Na década de 1930, Einstein previu que uma distribuição de massa, como uma galáxia, poderia atuar como uma “lente” gravitacional, não apenas curvando a luz, mas também distorcendo imagens de objetos situados além da massa gravitacional. Se algum objeto estiver atrás de uma galáxia massiva, visto da Terra, a luz desviada pode atingir a Terra por mais de um caminho.

Operando como uma lente que focaliza a luz ao longo de caminhos diferentes, a gravidade da galáxia pode fazer o objeto parecer esticado ou como se a luz viesse de vários objetos, em vez de um único objeto.

A luz do objeto pode até ser espalhada em um anel.

A primeira lente gravitacional foi descoberta em 1979, quando dois quasares foram descobertos muito próximos um do outro no céu e com distâncias e espectros semelhantes.

Os dois quasares eram na verdade o mesmo objeto cuja luz havia sido dividida em dois caminhos pela influência gravitacional de uma galáxia intermediária.

Anéis ou imagens múltiplas distintas de um objeto aparecem quando a lente é extremamente grande, e essa lente é chamada de lente forte.

No entanto, muitas vezes a lente intermediária só é forte o suficiente para esticar levemente o objeto de fundo; isso é conhecido como lente fraca.

Ao estudar as propriedades estatísticas das formas de galáxias e quasares muito distantes, os astrônomos podem usar os efeitos de lentes fracas para estudar a distribuição da matéria escura no universo.

Lentes gravitacionais – Descrição

O fenômeno na raiz das lentes gravitacionais é a deflexão da luz pelos campos gravitacionais previstos pela relatividade geral de Einstein, no limite do campo fraco.

A deflexão tem efeitos observáveis bem conhecidos, como imagens múltiplas, ampliação de imagens e atrasos de tempo para a propagação da luz ao longo dos caminhos formando imagens diferentes. Como o efeito é independente do comprimento de onda, as imagens com lentes múltiplas compartilham um único espectro, o que nos ajuda a identificar as imagens com lentes.

Atualmente distinguimos três regimes: lente forte (ou macro), lente fraca e microlente.

Em lentes fortes, a luz de uma fonte distante, como um quasar ou galáxia, é desviada por uma galáxia ou aglomerado de galáxias, formando várias imagens da fonte.

Em lentes fracas, a luz de uma fonte distante é distorcida, mas não multiplica a imagem.

A força e a distribuição espacial do efeito são determinadas medindo muitas imagens distorcidas e derivando uma medida estatística das lentes. Na microlente, a luz de uma fonte distante já é macro-lente, mas componentes como estrelas nas lentes adicionam suas próprias deflexões. O efeito aparece como uma ampliação adicional mensurável.

Alguns exemplos de aplicação de lentes gravitacionais são: estimativas da quantidade de matéria escura em galáxias e aglomerados de galáxias, medições da evolução das galáxias com o tempo cósmico, a idade do universo e estimativas de restrições na energia escura. Como a física das lentes gravitacionais está bem estabelecida, essas estimativas são robustas e fornecem restrições exclusivas, complementares às de outras técnicas astrofísicas.

Representação conceitual da curvatura induzida por um corpo no espaço-tempo
em relação à Terra, representada aqui como um malha tridimensional

Resumo

Quando levada ao extremo, a gravidade pode criar alguns efeitos visuais intrigantes que o Hubble é adequado para observar.

A teoria geral da relatividade de Einstein descreve como as concentrações de massa distorcem o espaço ao seu redor. Uma lente gravitacional pode ocorrer quando uma grande quantidade de matéria, como um aglomerado de galáxias, cria um campo gravitacional que distorce e amplia a luz de galáxias distantes que estão atrás dela, mas na mesma linha de visão. O efeito é como olhar através de uma lupa gigante.

Ele permite que os pesquisadores estudem os detalhes das primeiras galáxias muito distantes para serem vistas com a tecnologia e os telescópios atuais.

Objetos menores, como estrelas individuais, também podem atuar como lentes gravitacionais quando passam na frente de estrelas mais distantes. Por alguns dias ou semanas, a luz da estrela mais distante temporariamente parece mais brilhante porque é ampliada pela gravidade do objeto mais próximo. Este efeito é conhecido como microlente gravitacional.

O tipo mais simples de lente gravitacional ocorre quando há uma única concentração de matéria no centro, como o núcleo denso de uma galáxia. A luz de uma galáxia distante é redirecionada ao redor deste núcleo, frequentemente produzindo várias imagens da galáxia de fundo. Quando as lentes se aproximam da simetria perfeita, um círculo de luz completo ou quase completo é produzido, chamado de anel de Einstein.

As observações do Hubble ajudaram a aumentar muito o número de anéis de Einstein conhecidos pelos astrônomos.

Lentes gravitacionais mais complexas surgem em observações de aglomerados massivos de galáxias. Embora a distribuição da matéria em um aglomerado de galáxias geralmente tenha um centro, ele nunca é circularmente simétrico e pode ser significativamente irregular. Galáxias de fundo são iluminadas pelo aglomerado e suas imagens frequentemente aparecem como “arcos de lente” curtos e finos ao redor do aglomerado.

Essas imagens com lentes também atuam como sondas da distribuição de matéria no aglomerado de galáxias.

Os resultados indicam que a maior parte da matéria em um aglomerado de galáxias não está nas galáxias visíveis ou no gás quente ao seu redor e não emite luz, sendo assim chamada de matéria escura.

A distribuição das imagens em lente reflete a distribuição de toda a matéria, visível e escura. As imagens de lentes gravitacionais de Hubble foram usadas para criar mapas de matéria escura em aglomerados de galáxias.

Por sua vez, um mapa da matéria em um aglomerado de galáxias ajuda a fornecer uma melhor compreensão e análise das imagens gravitacionais.

Um modelo de distribuição de matéria pode ajudar a identificar várias imagens da mesma galáxia ou prever onde as galáxias mais distantes provavelmente aparecerão em uma imagem de aglomerado de galáxias.

Os astrônomos trabalham entre as lentes gravitacionais e a distribuição de matéria do aglomerado para melhorar nossa compreensão de ambas.

Como galáxias muito distantes são muito tênues, as lentes gravitacionais estendem a visão do Hubble para mais fundo no universo. A lente gravitacional não apenas distorce a imagem de uma galáxia de fundo, mas pode amplificar sua luz. Olhando através de um aglomerado de galáxias em lente, o Hubble pode ver galáxias mais fracas e distantes do que seria possível.

É como ter uma lente extra do tamanho de um aglomerado de galáxias.

As imagens diversificadas em lentes de cruzes, anéis, arcos e muito mais são intrigantes e informativas.

As lentes gravitacionais investigam a distribuição da matéria nas galáxias e aglomerados de galáxias e permitem observações do universo distante.

Os dados do Hubble também fornecerão uma base e um guia para o Telescópio Espacial James Webb, cujas observações infravermelhas vão avançar ainda mais para o cosmos.

Fonte: www.science.org.au/www.cfhtlens.org/www.universetoday.com/www.cfa.harvard.edu/www.ledatelescope.org/Encyclopaedia Britannica/www.cfa.harvard.edu/w.astro.berkeley.edu/stanford.edu