Las lentes gravitacionales son causadas por un cuerpo masivo entre un objeto lejano y nosotros. Puede crear la apariencia de dos o más objetos cuando en realidad sólo hay uno. La luz del objeto se desvía alrededor del cuerpo masivo que se encuentra entre ellos.

El cuerpo masivo, como una galaxia o un agujero negro, crea un campo gravitatorio muy fuerte en el espacio. La naturaleza exacta del efecto depende de:

  • La masa del objeto que actúa como lente: cuanto mayor es la masa, mayor es la desviación de la luz.
  • La alineación entre la fuente lejana, la lente y el observador: una alineación muy precisa puede producir imágenes múltiples simétricas o un anillo completo (anillo de Einstein).
  • Las distancias relativas entre observador, lente y fuente: determinan la escala angular y la magnificación del efecto.

¿Cómo desvía la luz la lente gravitacional?

Según la teoría de la relatividad general, la presencia de masa curva el espacio-tiempo y la luz sigue geodésicas en ese espacio curvado. Para una lente puntual y en aproximación débil, el ángulo de deflexión aproximado viene dado por:

α ≈ 4GM / (c² b),

donde G es la constante gravitatoria, M la masa de la lente, c la velocidad de la luz y b el parámetro de impacto (la distancia mínima entre el rayo de luz y el centro de masa). Esa desviación hace que el observador vea la fuente en posiciones distintas de su ubicación real.

Tipos de lentes gravitacionales

  • Lente fuerte: produce imágenes múltiples bien separadas, arcos pronunciados o anillos de Einstein cuando la alineación es muy buena.
  • Lente débil: causa pequeñas distorsiones en la forma de muchas galaxias de fondo; sólo puede detectarse estadísticamente midiendo la "cizalladura" (shear) sobre poblaciones enteras.
  • Microlente: cuando el lente es una estrella o un planeta, las imágenes no se resuelven pero la fuente se vuelve más brillante temporalmente; se usa para detectar exoplanetas y objetos compactos.

Señales observables y efectos sobre la luz

  • Imágenes múltiples y arcos: la misma fuente puede aparecer varias veces o en forma de arcos y anillos.
  • Magnificación: la lente puede aumentar el brillo aparente de la fuente, permitiendo detectar objetos muy lejanos que de otro modo serían invisibles.
  • Retraso temporal: los caminos distintos que siguen los rayos implican tiempos de viaje diferentes; en fuentes variables (como cuásares) esto permite medir retrasos temporales entre las imágenes.
  • No altera la composición espectral intrínseca: la lente no cambia los espectros o colores de la fuente de forma fundamental (salvo efectos menores como el desvío diferencial en presencia de material del lente), aunque la magnificación puede mejorar la detectabilidad de rasgos débiles.
  • Conservación del brillo superficial: la lente no aumenta la intensidad por unidad de área en el objeto, sino que cambia su tamaño aparente y su flujo total.

Usos científicos

  • Mapeo de la materia oscura: la forma en que la luz se desvía revela la distribución total de masa (visible y oscura) en galaxias y cúmulos.
  • Cosmología: mediciones de retardos temporales entre imágenes (time-delay cosmography) ayudan a estimar la constante de Hubble (H0) y otras cantidades cosmológicas.
  • Estudio de galaxias y cuásares lejanos: la magnificación permite estudiar con detalle objetos que de otro modo serían demasiado débiles.
  • Detección de exoplanetas y objetos compactos: la microlente puede revelar planetas alrededor de estrellas distantes y candidatos a objetos oscuros.
  • Pruebas de la física del universo: la comparación entre lentes observadas y modelos puede poner a prueba teorías de gravedad y distribuir límites sobre propiedades de la materia oscura (p. ej. subestructura).

Ejemplos y observaciones

Algunos ejemplos famosos incluyen los anillos y arcos observados por el Telescopio Espacial Hubble, el llamado "Einstein Cross" (un cuásar que aparece en cuatro imágenes alrededor de una galaxia) y sistemas utilizados para medir H0 mediante retrasos temporales. Proyectos y telescopios modernos que estudian lentes gravitacionales son HST, JWST, ALMA, así como encuestas a gran escala como Euclid, el proyecto Rubin/LSST, DES y KiDS.

Impacto práctico en astronomía

Las lentes gravitacionales son una herramienta poderosa: por un lado actúan como “lupas” cósmicas que permiten ver el universo temprano y mapear masa invisible; por otro, distorsionan las imágenes y requieren correcciones cuidadosas cuando se estudian las formas y tamaños intrínsecos de galaxias. Comprender y modelar estos efectos es esencial para obtener mediciones precisas en astrofísica y cosmología.