Relatività, Spazio-tempo e Lenti Gravitazionali

Relatività, Spazio-tempo e Lenti Gravitazionali

Questo testo è un estratto dello splendido libro di Andrea Cimatti, “L’Universo Oscuro“,  un manuale di astronomia di insolita, limpida chiarezza, e consigliabile a tutti gli appassionati della materia. Il libro, pubblicato da Carocci Editore, si è aggiudicato il primo premio nella categoria Scienze Matematiche Fisiche Naturali del Premio Nazionale di Divulgazione Scientifica 2017 Giancarlo Dosi, promosso dall’Associazione Italiana del Libro.
La recensione del libro a questo link
http://www.universoastronomia.com/2018/01/04/luniverso-oscuro/

Relatività, Spazio-tempo e  Lenti Gravitazionali 

Nella fisica classica di Newton lo spazio è considerato una sorta di “impalcatura” tridimensionale nella quale si svolge il moto dei corpi dell’Universo. Nella visione rivoluzionaria della Relatività Generale (1915) di Albert Einstein, lo spazio e il tempo sono invece uniti in un continuum spazio-temporale a quattro dimensioni: tre per lo spazio e una per il tempo. Un aspetto fondamentale di questa nuova visione è che lo spazio-tempo è qualcosa che può essere influenzato e modificato dalla presenza di materia e di energia. La nostra mente non riesce a visualizzare immagini in quattro dimensioni.

La luce di quasar più distanti viene deviata attorno alle enormi masse delle galassie come risultato della lente gravitazionale forte. Nell’immagine HE0435-1223 è uno dei quasar lensati: la galassia in primo piano crea quattro immagini del remoto quasar. Credit: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

Tuttavia la classica esemplificazione che si può fare è immaginare lo spazio-tempo come un foglio di gomma ben teso. In assenza di materia questo foglio resta piano. Se invece appoggiamo un oggetto dotato di massa (cioè in grado di esercitare una forza gravitazionale), il foglio verrà deformato e si produrrà un avvallamento. L’avvallamento prodotto sarà tanto più profondo quanto maggiore sarà la massa dell’oggetto.

Inoltre gli effetti della curvatura saranno più forti quanto più vicino all’oggetto ci si venga a trovare. In questa nuova visione il moto degli oggetti viene quindi influenzato dalla presenza degli “avvallamenti” presenti dove è localizzata la materia. Se un oggetto in movimento si trova lontano da altri corpi dotati di massa, ovvero nelle regioni in cui il nostro foglio è rimasto piatto, la sua traiettoria è rettilinea. Ma la sua traiettoria viene curvata se passa vicino a una massa che ha creato un avvallamento. Inoltre la velocità dell’oggetto in moto sarà tanto più elevata quanto più profondo è l’avvallamento. Una frase attribuita al fisico John A. Wheeler riesce a riassumere in poche parole l’essenza della Relatività Generale: “lo spazio-tempo dice alla materia come muoversi; la materia dice allo spazio-tempo come curvarsi”

L’immagine di una galassia distante ben 6 miliardi di anni luce appare sinuosa e allungata come un serpente in questa straordinaria ripresa del telescopio Hubble.  Credit: ESA/Hubble, NASA, A.Cava

Una delle numerose implicazioni della Relatività Generale è che anche la traiettoria di un raggio di luce, considerata sempre perfettamente rettilinea nella fisica classica, può essere curvata dalla presenza di materia. Questo non perché la luce sia sensibile alla forza di gravità (la luce non ha massa), ma perché è lo spazio-tempo che è curvato dalla presenza della massa e quindi il raggio di luce è obbligato a seguire una linea curva. Le conseguenze sono notevoli. Se la relatività generale è giusta, ci si aspetta un fenomeno noto come lente gravitazionale. Immaginiamo di avere un lontano oggetto luminoso che emette un raggio di luce che viaggia in moto rettilineo verso un osservatore. Se interponiamo un oggetto dotato di massa, questo avrà l’effetto di curvare lo spazio-tempo e conseguentemente di modificare la traiettoria del raggio di luce. Se questo avviene l’osservatore vedrà l’oggetto luminoso spostato rispetto alla sua posizione reale. La massa interposta tra osservatore e oggetto luminoso viene chiamata lente gravitazionale proprio perché, come una lente di vetro, è in grado di modificare la traiettoria della luce. A seconda delle posizioni relative dell’oggetto luminoso, della massa della lente e dell’osservatore, ci si aspettano diversi effetti che possono essere calcolati con le equazioni della relatività generale.

Nell’immagine le distorsioni visibili in una ripresa del telescopio ALMA della lente gravitazionale SDP.81 sono segni rivelatori che una galassia nana si trova nell’alone di una galassia più grande a quasi 4 miliardi di anni luce di distanza. Credit: Y. Hezaveh, Stanford Univ.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope

Nel 1919 l’astrofisico Arthur Eddington ebbe la brillante idea di verificare sperimentalmente il fenomeno della lente gravitazionale sfruttando un’eclissi totale di Sole. Nell’intervallo di tempo di completo oscuramento del Sole da parte della Luna, per qualche minuto il cielo diviene sufficientemente scuro da osservare le stelle più brillanti prospetticamente vicine al Sole. In questa configurazione è quindi il Sole stesso che funge da lente gravitazionale. Questa speciale occasione offrì quindi la possibilità di verificare se le posizioni delle stelle erano diverse da quelle che normalmente avrebbero avuto. Le osservazioni mostrarono che in effetti un piccolo spostamento era presente, e che la sua ampiezza era in accordo con le previsioni della relatività generale. Questo fornì una spettacolare conferma della teoria di Einstein pochi anni dopo la sua formulazione.

 

 

Le lenti gravitazionali forniscono prove schiaccianti

Oltre all’esperimento pionieristico di Eddington le osservazioni astronomiche moderne hanno fornito ulteriori conferme del fenomeno della lente gravitazionale. Tra i casi più spettacolari ci sono i cosiddetti archi gravitazionali che risultano visibili in molti ammassi di galassie. Questo archi sono le immagini spostate e distorte di galassie molto più distanti dell’ammasso, che si trovano prospetticamente dietro di esso, e che vengono deformate a forma di arco, ingrandite e rese più brillanti dall’effetto di lente gravitazionale. Altri esempi sono quelli in cui una singola galassia di grande massa si trova fortuitamente allineata con un’altra galassia più distante. In questi casi l’osservatore può vedere quattro immagini virtuali, ognuna copia dell’originale. In altri casi ancora l’immagine della galassia può essere deformata fino a comparire come un anello che circonda la galassia che funge da lente gravitazionale.

Il telescopio Hubble è stato utilizzato per misurare la massa di una nana bianca, grazie al fenomeno del microlensing gravitazionale, visibile nell’immagine artistica. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Ma perché le lenti gravitazionali sono importanti nella nostra discussione sulla materia oscura? La risposta è semplice: dalle caratteristiche delle immagini virtuali prodotte dalla lente (archi, immagini multiple, anelli) è possibile stimare in modo molto affidabile la massa totale della lente, ovvero dell’oggetto interposto. L’importanza sta proprio nella parola “totale”, ovvero la massa che include sia la materia luminosa sia quella eventuale oscura. Sfruttando questo fenomeno è stato possibile determinare le masse di numerose galassie (soprattutto sferoidali) e di ammassi di galassie. I risultati hanno sempre confermato la presenza di una grande quantità di materia oscura in accordo con altri risultati.

 

 

Entrano in scena i protagonisti della massa: gli aloni di materia oscura

Tutti i risultati descritti finora dimostrano che non solo la materia oscura è presente, ma anche che il suo contributo relativo a quella luminosa aumenta andando dal centro verso l’esterno delle galassie e degli ammassi di galassie. In altre parole, mentre la materia luminosa diventa progressivamente meno presente nelle regioni esterne, quella oscura diventa gradualmente dominante. Ad esempio, nelle regioni centrali di una galassia a disco come la nostra, la materia luminosa e quella oscura hanno masse confrontabili, ma a distanze maggiori di 10 Kpc la massa oscura diventa maggiore di quella luminosa fino ad essere completamente dominante.

Immagine della galassia di Andromeda e di come potrebbe apparire circondata da un alone di materia oscura, se potessimo osservarlo direttamente Credit Adam Evans, adapted by J. Freundlich & F. Ducouret

Anche negli altri tipi di galassie e negli ammassi si riscontra sempre lo stesso andamento: dove la materia luminosa finisce, quella oscura continua e si estende su dimensioni molto più grandi. Questi risultati suggeriscono che ogni galassia o ammasso si trova al centro di una sorta di grande sfera di materia oscura, molto più grande della regione luminosa. A questa sfera è stato dato il nome di alone di materia oscura.

Le conseguenze di tutto ciò sono enormi. La prima è che la nostra visione dell’universo è sicuramente molto ingannevole. Infatti da ora in poi dobbiamo fare un grande sforzo di immaginazione e pensare che ogni galassia o ammasso si trovi al centro di una sfera molto più grande e invisibile formata da materia oscura. Oscura, misteriosa e di natura ignota.
[ Andrea Cimatti ]

In apertura l’immagine ripresa dal telescopio Hubble dello splendido ammasso di galassie Abell 370, in cui sono particolarmente evidenti archi e formazioni dovuti al fenomeno della lente gravitazionale. L’ammasso è descritto qui
http://www.universoastronomia.com/2017/05/04/lultima-frontiera-del-frontier-fields/

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