Hace cien años, Albert Einstein introdujo una nueva forma radical de pensar sobre la fuerza de la gravedad. Su teoría general de la relatividad postuló que el espacio no es una arena vacía en la que se desarrollan los eventos del universo, sino un participante activo en esos eventos.
Según la relatividad general, cualquier cosa que tenga masa (una estrella, un planeta, una nutria) distorsiona el espacio a su alrededor, haciendo que se curve. La materia curva el espacio, y esa curvatura le dice a otra materia cómo moverse. Los humanos estamos mal equipados para imaginar un espacio tridimensional curvo, así que aquí hay una analogía bidimensional: si se coloca una bola pesada sobre un trampolín, la superficie del trampolín se doblará. Si luego haces rodar canicas por la superficie del trampolín, sus caminos serán curvos. Es una analogía imperfecta, pero transmite la idea general. Este principio es el motivo por el cual la Tierra sigue una trayectoria curva alrededor del Sol y la Luna sigue una trayectoria curva alrededor de la Tierra.
Una característica clave de la relatividad general es que la curvatura del espacio afecta el camino de la luz y la materia. Este efecto se conoce como "lente gravitacional". Esto resulta ser diferente a la forma en que la luz se comporta bajo la gravedad newtoniana, por lo que un uso inmediato de la lente gravitacional es probar si la relatividad general es real. También resulta ser extremadamente útil para estudiar los rincones más distantes del universo, ya que hace que las imágenes de galaxias lejanas se amplíen.
¿Cómo funciona la lente gravitacional? Si la luz que viaja hacia nosotros desde alguna estrella distante pasa por otro objeto masivo, por ejemplo, otra estrella o galaxia, esa luz se desvía y su trayectoria se altera. Cuando esa luz llega a la Tierra, parece provenir de una dirección diferente a su camino original. Vemos que la estrella está en una posición diferente en el cielo que donde realmente se encuentra. Este movimiento aparente de la estrella de fondo es exactamente el doble de lo que verías en la gravedad newtoniana; por lo tanto, proporciona una forma simple de probar la teoría de Einstein.
Sin embargo, para medir cuánto se ha movido la imagen de una estrella, debe ser capaz de observarla tanto antes como después de que su luz sea desviada por la masa que interviene. Por lo general, no tenemos la opción de alejarnos lo suficiente de la Tierra para ver estrellas distantes desde dos ángulos diferentes, pero podemos aprovechar el hecho de que nos estamos moviendo alrededor del sol.
Si observamos una estrella en la parte opuesta del cielo del sol, vemos su posición "verdadera". Seis meses después, la estrella estará en la misma parte del cielo que el sol, y luego podremos medir cuánto desvía la luz de la estrella por la masa del sol. Por lo general, no podemos observar estrellas cuando están cerca del sol porque es de día cuando sale el sol. Pero bajo ciertas circunstancias, podemos. Hay un momento en que sale el sol, pero la luz solar está bloqueada: un eclipse solar total.
En mayo de 1919, los astrónomos pudieron vislumbrar un eclipse solar que era visible desde partes de África y América del Sur. Para maximizar las posibilidades de observar el eclipse con éxito, se enviaron dos equipos para observarlo: uno a Brasil y otro, dirigido por Sir Arthur Eddington, a la isla de Príncipe, en la costa de África occidental. A pesar de la nubosidad parcial, el equipo de Eddington tuvo éxito. La desviación de la luz que midieron de las estrellas en el cúmulo de Hyades coincidía perfectamente con la teoría de Einstein.
Durante el eclipse solar total el 29 de mayo de 1919, Sir Arthur Eddington (derecha) confirmó la Teoría general de la relatividad de Einstein calculando la desviación de la luz de las estrellas al lado del sol. (AKG) Este descubrimiento fue trascendental. "TODAS LAS LUCES PREGUNTAN EN LOS CIELOS. LA TEORÍA DE EINSTEIN TRIUNFA", proclamó el New York Times. (Agregó: "Hombres de ciencia más o menos atrás sobre los resultados de las observaciones de Eclipse".) La confirmación proporcionó un momento de unidad en un mundo desgarrado por la guerra; Como señaló el físico JP McEvoy en su libro Eclipse de 1999, "una nueva teoría del universo, la creación de un judío alemán que trabajaba en Berlín, fue confirmada por un cuáquero inglés en una pequeña isla africana".
No fue sino hasta 1936 que un astrónomo suizo llamado Fritz Zwicky se dio cuenta del potencial de las lentes gravitacionales como una herramienta para estudiar el universo más allá de nuestro vecindario estelar. Al calcular las masas de cúmulos de galaxias, conocidas en ese momento como nebulosas extragalácticas, Zwicky notó que había una buena posibilidad de que las galaxias más distantes ubicadas detrás de ellos tuvieran su luz desviada al pasar por estos cúmulos. En 1937, escribió que este efecto "nos permitiría ver nebulosas a distancias mayores que las que normalmente alcanzan incluso los telescopios más grandes".
La clave de este concepto es una característica de la lente gravitacional que lo hace increíblemente útil: la luz que de otro modo se dirigiría lejos de nosotros se gira en nuestra dirección, lo que significa que vemos más luz de las fuentes con lentes de lo que normalmente veríamos. En otras palabras, las galaxias distantes que se encuentran detrás de objetos masivos se magnifican. Y dado que los cúmulos de galaxias son las estructuras más masivas del universo, son las mejores lupas que la naturaleza tiene para ofrecer.
Durante casi 50 años, la sugerencia de Zwicky recibió poca atención. Las galaxias potenciales con lentes eran, después de todo, demasiado débiles para ser vistas. Eso cambió en la década de 1980, cuando el desarrollo de los primeros dispositivos de imágenes digitales reemplazó las placas fotográficas y aumentó drásticamente la sensibilidad de los telescopios a fuentes débiles.
En 1986, se descubrió un arco extendido dramático en el cúmulo de galaxias Abell 370. El largo arco rojo en esta imagen resultó estar dos veces más lejos que el cúmulo en sí: es una galaxia de fondo, una espiral muy parecida a la Vía Láctea. cuya luz ha sido distorsionada por la masa del cúmulo, extendiéndola en este enorme arco. Una década más tarde, otra galaxia con lentes rompió el récord del objeto más distante conocido, la primera vez desde la década de 1960 que una galaxia regular, no un quásar, los objetos más brillantes del universo, había tenido ese récord.
Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de larga exposición del cúmulo de galaxias masivo Abell 2744 (primer plano) es la más profunda jamás hecha de cualquier cúmulo de galaxias. (NASA / ESA) En 2009, el lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble (HST) proporcionó las imágenes más sensibles jamás obtenidas del universo distante, y su misión de servicio final agregó una nueva cámara de infrarrojo cercano extremadamente sensible. Actualmente en curso con Hubble hay un nuevo programa que promete llevar los límites de nuestra mirada al universo aún más: el programa Hubble Frontier Fields.
La idea detrás de este programa es hacer observaciones increíblemente profundas que revelen las galaxias más lejanas y lejanas, pero estratégicamente dirigidas a cúmulos de galaxias para beneficiarse del efecto de aumento de la lente gravitacional. El programa cubrirá seis cúmulos de galaxias masivas en total, cinco de los cuales se han completado hasta la fecha. La científica principal del proyecto Frontier Fields, Jen Lotz, la describió como "la visión más profunda del universo jamás tomada".
"The Frontier Fields es un experimento", dice Matt Mountain, presidente de la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) y ex director del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial que opera el Hubble. La pregunta central del experimento: "¿Podemos usar la exquisita calidad de imagen de Hubble y la teoría de la relatividad general de Einstein para buscar las primeras galaxias?"
El análisis preliminar de los primeros Frontier Fields ya ha comenzado a producir una gran cantidad de información sobre el universo primitivo. Muy por detrás del primer cúmulo, Abell 2744, hemos encontrado imágenes magnificadas de un grupo de galaxias en el universo temprano, solo unos cientos de millones de años después del Big Bang, que pueden estar en el proceso de formar un cúmulo propio.
El estudio cuidadoso de las imágenes de Frontier Fields revela galaxias magnificadas 50 veces o más por lentes gravitacionales. Estas son algunas de las galaxias más débiles jamás vistas en el universo primitivo. El más pequeño de estos se convertirá en algo así como el enano Fornax, una pequeña galaxia que orbita la Vía Láctea y tiene aproximadamente una milésima parte de su masa. Aunque eso es pequeño para los estándares de galaxias, estamos aprendiendo de Frontier Fields que había una gran cantidad de pequeñas galaxias en el universo primitivo. Tantos, de hecho, que juntos podrían haber sido responsables de la mayor parte de la energía en los primeros mil millones de años del universo.
El límite de cuán lejos en el pasado podemos ver está establecido por las capacidades del telescopio espacial Hubble. Las primeras galaxias tienen su luz desplazada tan lejos en el infrarrojo por la expansión del espacio que el Hubble no puede verlas. Todo esto cambiará en 2018 cuando el sucesor de Hubble, el telescopio espacial James Webb, se lance en 2018. Con un espejo más grande y cámaras más sensibles que pueden ver más allá del infrarrojo, Webb nos permitirá mirar aún más en el pasado y ver galaxias incluso más débiles. Si apuntamos a Webb a los cúmulos de galaxias y utilizamos lentes gravitacionales para nuestro beneficio, podemos ampliar aún más esos límites.
En solo unos años, bien podríamos estar mirando las primeras galaxias que se hayan formado.
