MICROLENTES

Microlentes gravitatorias


 

Figura 1. Albert Einstein (1879-1955)

 

 

Figura 2. Desviación de un rayo de luz de una estrella lejana por efecto de lente gravitatoria de una estrella cercana como el Sol.

Figura 3. Fenómenos de lentes gravitatorias (arcos) producidos por las galaxias de Cluster Abell2218 al desviar la luz procedente de una lejana galaxia. (Imagen obtenida por el Telescopio Espacial Hubble)

Figura 4Izquierda: Simulación de la formación de un anillo de Einstein obtenido por radioastronomía. Una galaxia central produce un efecto de lente gravitatoria sobre la luz procedente de cuásar (la imagen de la galaxia se ha eliminado). Derecha: Imagen producida por una galaxia actuando como macrolente que produce 4 imágenes de un cuásar situado en otra galaxia más alejada, cuya imagen distorsionada forma un anillo de Einstein irregular. (ESO: http://www.eso.org/outreach/press.rel/pr-2003/pr-19-03.html).

Figura 5. Derecha: Magnificación de la intensidad luminosa de una estrella lejana producida por la estrella OGLE 235/MOA-53 debida al fenómeno de microlente. Izquierda: Situación sin magnificación.

Figura 6. Fenómeno de microlente. Magnificación de la intensidad luminosa de una estrella lejana producida por una estrella próxima y magnificación causada por un exoplaneta orbitando la estrella cercana.

Figura 7. Diagrama que permitió detectar el exoplaneta OGLE 235/MOA-35 b. La curva verde corresponde a la magnificación producida por la estrella próxima y los picos son debidos al exoplaneta que la orbita.

 

 

La teoría de la relatividad general (1916) de Albert Einstein (1879-1955) indica que la masa gravitacional (presente en la ley de gravitación universal de Newton) y la masa inercial (la que aparece en la 2ª ley de Newton, F = m·a) son equivalentes. Este principio de equivalencia tiene como consecuencia la imposibilidad de distinguir, en un espacio cerrado y limitado, entre los efectos de un campo gravitatorio y el de la inercia que resultan de los movimientos acelerados. Así la relatividad general sintetizó la mecánica y la gravitación. La interacción de la gravitación es descrita como una curva del espacio-tiempo inducida por la presencia de masas, y las partículas describen las curvas de longitud mínima de este espacio-tiempo curvado no euclidiano o espacio de Minkowski.

La luz, formada por fotones, también describe curvas de longitud mínima. En un espacio-tiempo sin masas la luz sigue trayectoria rectas. Sin embargo cuando se desplaza por un espacio-tiempo que contiene masas, estas lo deforman, y la luz se desvia describiendo trayectorias curvas como si fuera atraida por la masa. En un agujero negro la masa es tan impresionante que la luz cae hacia él y no puede escaparse.

Éste fenómeno de desviación de la luz fue utilizado para confirmar experimentalmente la teoría de la relatividad general. Según ésta, un rayo de luz que pase rozando el Sol deberá desviarse un ángulo muy pequeño (d = 1,75''). Ésta predicción fue confirmada por dos astrónomos, Eddington y Dyson, durante el eclipse de Sol de 1919 al observar cerca del Sol una estrella que debería haber estado eclipsada por el Sol, y posteriormente utilizando métodos de radioastronomía por Fomalot y Sramek (1977). Así los objetos masivos pueden actuar como lentes gravitacionales desviando la luz de objetos más alejados y produciendo imágenes de ellos.

En la figura 2 se representa un rayo de luz que sale de la estrella en una dirección que no debería alcanzar al observador. Sin embargo, debido al efecto de lente gravitatoria producido por un cuerpo masivo como por ejemplo el Sol, la luz cambia de dirección, se va curvando al pasar cerca del Sol y, finalmente, llega al observador según una dirección que permite ver una imagen de la estrella. En la figura se ha exagerado la desviación para poder visualizar el fenómeno.

En 1979 Dennis Walsh descubrió el primer caso de una imagen doble producida por una lente gravitacional de una fuente lejana, el quasar 0957+561. Posteriormente, en 1989 Lynds y Petrosian observaron imágenes en forma de arco debidas a objetos extensos, no puntuales, galaxias lejanas. Así, en función de la situación geometrica de los cuerpos que intervienen y de sus dimensiones pueden obtenerse diversos tipos de imágenes: arcos (figura 3), anillos más o menos regulares denominados anillos de Einstein (figura 4) e imágenes múltiples: dobles, triples,... (figura 4, derecha).

Los fenómenos de lentes gravitacionales pueden clasificarse en dos grupos:

  • Macrolentes: el objeto masivo que actúa de lente debe ser superior a 100 masas solares, como son galaxias (figura 4), cúmulos de galaxias (figura 3) o agujeros negros. La fuente de luz será una galaxia distante o un cuásar. Una animación de este fenómeno  puede consultarse en el sitio web de Jim Lowell del Australia Telescope National Facility (ATNF).

  • Microlentes: el objeto masivo que actúa de lente es relativamente pequeño, de unas pocas masas solares o menos. Por ejemplo estrellas, enanas marrones, planetas jovianos,... La separación angular entre imágenes múltiples es mucho menor que un segundo de arco y no pueden ser resueltas. En este caso se observa que la intensidad de la luz emitida por una estrella o una galaxia lejana aumenta, se magnifica, en el momento en que ambos cuerpos se alinean (figuras 5 y 6).

La existencia de un exoplaneta orbitando una estrella que actúe como cuerpo masivo con efectos de lente gravitatoria puede ser detectado midiendo la intensidad de luz de una estrella lejana. En el momento que la estrella lejana se alinea con la estrella próxima se produce una magnificación muy regular de la señal luminosa debida al efecto de microlente (figuras 5 y 6). La existencia de un exoplaneta orbitando la estrella próxima produce unos picos muy finos de intensidad luminosa, una elevada magnificación, que permiten su detección (figuras 6 y 7).

Con este método de microlentes puede determinarse la masa del exoplaneta y su semieje mayor. La probabilidad de detección de un exoplaneta por este método es del 17 % para exoplanetas semejantes a Júpiter y del 3 % para exoplanetas como Saturno, ambos orbitando el Sol a las mismas distancias. Los exoplanetas situados en la zona habitable son perfectamente detectables (exoplanetas como la Tierra tienen una probabilidad del 2 %). Sin embargo es un método de detección muy complicado, pues la estrella lejana y el exoplaneta deben estar alineados con mucha precisión para que surta efecto. Como el exoplaneta se está moviendo, hay un espacio de tiempo muy corto para confirmar el descubrimiento, lo que complica el proceso.

En 2004 se ha descubierto el primer exoplaneta por este método de microlentes, es el OGLE-235/MOA-53 b (figura 7), con observaciones realizadas por los componentes de los proyectos OGLE, Optical Gravitational Lensing Experiment, y MOA (Microlensing Observations in Astrophysics). Este exoplaneta está a unos 17 000 años luz de distancia, en la constelación de Sagitario. Orbita alrededor de una enana roja, es entre 1,5 y 2,5 veces más masivo que Júpiter (0,4 % de la masa de la estrella que orbita) y dista de la estrella entre 2,8 y 3,0 UA. La estrella lejana que ha permitido la detección está a unos 24 000 años luz de distancia.



Departament de física i química


Antoni Salvà i Tomàs
EXOPLANETAS