Lentes gravitacionales para "ver" la materia que no se ve

Aurelio Carnero Rosell

Hace unas semanas el Dark Energy Survey o simplemente DES, un proyecto internacional que toma datos en los telescopios de Chile, publicó sus primeros resultados cosmológicos significantes. Entre estos cabe resaltar la reconstrucción del mayor mapa de materia oscura hecho hasta la fecha (en la figura, la imagen de la derecha), conseguido a través del efecto de lente gravitacional débil. Al ser miembro de este proyecto y haber contribuido a estos resultados, cuando se hizo público este notición pensé que podría ser una buena oportunidad para hablarles del efecto de lente gravitacional débil.

Colocándonos en contexto, ¿qué estudia la Cosmología? La Cosmología intenta responder a preguntas como ¿de qué está hecho el Universo?, ¿cuáles son las leyes que lo rigen?, ¿el Universo tiene principio y fin?, por decir algunas.

Basados en nuestro mejor entendimiento, aunque puede que no sea lo real, aceptamos que el Universo está formado por un 70% de energía oscura, 25% materia oscura y 5% materia ordinaria, que el Universo evoluciona de acuerdo con las leyes de la relatividad general y que se formó con un Big Bang. Igualmente, este modelo presenta muchas lagunas y controversias, así que continuamos mejorando las medidas cosmológicas con telescopios cada vez mayores y más potentes para arrojar luz sobre estos enigmas de la naturaleza.

Para estudiar Cosmología tenemos que entender el Universo en su unidad, es decir, no nos interesan los detalles que ocurren en cada una de las galaxias que lo componen, sino estudiar las propiedades generales que lo definen como un todo, su síntesis. Para ello tenemos que observar millones y millones de galaxias, en la mayor área del cielo posible y lo más profundo que podamos.

En la última década hemos desarrollado una nueva técnica, la medida del efecto de lente gravitacional débil. Para poder explicar este método, es más fácil comenzar explicando el efecto de lente gravitacional fuerte y después explicar la diferencia entre el efecto débil y fuerte. Una ayuda: recuerden que para el estudio de la Cosmología lo que nos interesa son las propiedades estadísticas a gran escala, y no los detalles individuales.

Uno de los conceptos más importantes con los que trabajamos en Cosmología es la teoría de la relatividad general, propuesta por Albert Einstein en 1915 y que sigue siendo, a día de hoy, una de las teorías más infalibles pensadas por el ser humano. Prueba de ello es el recentísimo premio Nobel otorgado a los descubridores de las ondas gravitacionales, una de las últimas predicciones teóricas de la relatividad general que faltaba por confirmar. En esta teoría la gravedad es un consecuencia de que un cuerpo, estando en el vacío, curva el espacio a su alrededor, entendiendo el espacio, o espacio-tiempo, como el continuo que permea todo el Universo, definido por 3 coordenadas espaciales (espacio) y una coordenada temporal (tiempo).

Imaginen la Tierra girando alrededor del Sol y piensen que ya no hay más fuerza entre el Sol y la Tierra, sino que el Sol, debido a su masa, curva el espacio, formando una especie de embudo a su alrededor, de tal forma que la Tierra es atraída hacia el centro (hacia el Sol) no por una fuerza como podemos entender la fuerza electromagnética, sino por la inercia que gana la Tierra al estar en el espacio curvado. Un buen símil sería lo que sentimos en una cama elástica si alguien se posiciona en el centro: los que estamos en los bordes sentimos una "fuerza" hacia el centro. En palabras del físico teórico John Wheeler (1911-2008): "El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse".

La curvatura producida por la materia no solo produce la atracción de los cuerpos, lo que llamamos gravedad, sino que es también capaz de curvar la luz que pasa a su alrededor. Imaginen una galaxia muy lejana y, en la línea de visión, un cúmulo de galaxias supermasivo. ¿Que pasará? Como dijimos, el cúmulo supermasivo curvará el espacio-tiempo a su alrededor, y la luz proveniente de la galaxia se curvará también: la imagen que nos llegue estará distorsionada. Para entenderlo mejor, vayamos a la imagen de la izquierda, acompañando el texto.

En la imagen se ve un grupo de galaxias amarillas y redondas. Estas forman el cúmulo de galaxias RCS2 032727-132623 y, alrededor, se pueden ver unas líneas curvadas azules, formando una lente alrededor del cúmulo. Estos arcos azules, en realidad, son la imagen de una galaxia normalita, quizás con la misma forma que la Vía Láctea, pero la imagen que nos llega ha sido distorsionada por las galaxias que se encuentran enfrente que, con tanta masa, curvaron el espacio. Este es el efecto de lente gravitacional fuerte: la curvatura del espacio-tiempo visto en la distorsión de imágenes de galaxias lejanas, producida por cúmulos de materia en la línea de visión.

Ahora, imagínense este mismo efecto pero en mucha menor escala. Cualquier cúmulo de galaxias, por pequeño que sea, curvará el espacio-tiempo a su alrededor y creará distorsiones en las imágenes de galaxias lejanas. El efecto de lente gravitacional débil consiste en medir este efecto, pero estadísticamente en millones y millones de galaxias. Midiendo las formas de las galaxias más lejanas vemos claramente que, donde encontramos galaxias con formas curvas, estas están en la misma línea de visión que muchas galaxias cercanas. Haciendo una reconstrucción a partir de las formas de las galaxias podemos obtener un mapa de la cantidad de materia que hay entre ellas y nosotros.

Este es el efecto de lente gravitacional débil, y es así como el proyecto DES ha hecho el mapa de materia que se ve en la imagen (derecha). Lo interesante de este método es que no hace distinción entre materia ordinaria y materia oscura: mide toda la materia existente, y como la materia oscura representa el 80% de toda la materia, este mapa es principalmente un mapa de materia oscura. Finalmente, con las lentes gravitacionales, podemos "ver" la materia que no se ve.