Aqui exploramos como as lentes gravitacionais estão ajudando os cientistas a ver o invisível

Uma imagem de uma galáxia sendo espalhada em torno de uma lente gravitacional criando um dos anéis de Einstein mais completos já vistos, conforme capturado pelo Telescópio Espacial Hubble. Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA, S. Jha Reconhecimento: L. Shatz

A lente gravitacional é um efeito na luz de uma fonte de fundo que surge como resultado da curvatura do espaço-tempo, as três dimensões do espaço e do tempo unidas em uma única entidade, causada pela massa.

O efeito é mais observável quando a luz de uma fonte de fundo brilhante, como uma estrela, um quasar ou uma galáxia inteira, passa por um objeto muito massivo como outra galáxia ou um aglomerado de galáxias, descrito como um objeto de lente ou apenas uma lente gravitacional.

Isso pode ter vários resultados; pode fazer com que um objeto mude sua posição aparente no céu sobre a Terra, ou pode fazer com que um único objeto apareça em vários pontos do céu, ocasionalmente dando origem a formações espetaculares como anéis e cruzes feitos do mesmo objeto.

Mais do que isso, as lentes gravitacionais podem realmente fazer com que a luz de um objeto de fundo seja amplificada. Isso significa que os astrônomos podem usar as lentes gravitacionais decorrentes dos aglomerados galácticos como lupas cósmicas naturais.

Isso o tornou uma ferramenta importante para a investigação do universo quando ele estava em sua infância, produzindo luz das primeiras galáxias que normalmente seriam muito fracas para serem observadas por instrumentos como o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio Espacial Hubble, segundo a NASA.

COMO FUNCIONA A LENTE GRAVITACIONAL?

Em 1915, Albert Einstein revolucionou a forma como pensamos sobre a gravidade ao introduzir a relatividade geral, uma teoria que às vezes também é conhecida como teoria geométrica da gravidade. É a partir dessa teoria que as lentes gravitacionais nasceram.

A ideia de Einstein era que a gravidade surge do fato de que a massa faz com que o próprio tecido do espaço-tempo se curve, e quanto maior a massa, maior é a curvatura. Pense nisso como sendo análogo a bolas de massa crescente sendo colocadas em um tecido elástico esticado, com uma bola de boliche causando uma "deformação" maior do que, digamos, uma bola de tênis.

É claro que essa curvatura tem efeito sobre outras matérias que passam por ela. Assim, por exemplo, a curvatura do espaço-tempo causada pelo sol mantém a Terra em órbita, enquanto a curvatura que a própria Terra causa mantém a lua em órbita [RJ A Lambourne, 2010, pg 166].

Um diagrama mostrando como a curvatura do espaço-tempo leva a lentes gravitacionais Crédito da imagem: NASA, ESA & L. Calçada

O físico teórico americano John Wheeler descreveu sucintamente o efeito da relatividade geral como tal: "A matéria diz ao espaço-tempo como se curvar e o espaço-tempo diz à matéria como se mover".

Mas a curvatura do espaço-tempo não afeta apenas a matéria; afeta a luz também, o que significa que a luz sempre viaja em linha reta, exceto quando não. Se isso soa contraditório, pense em uma linha reta desenhada em uma folha de papel. Se esse papel for curvado, a linha em si não se desviou de seu caminho, mas ainda não é mais reta. O caminho que os fótons de luz seguem enquanto viajam pelo espaço é chamado de geodésico e pode ser curvo como uma linha desenhada no papel [RJ A Lambourne, 2010, pg 133].

A curvatura da luz ao passar por uma região curva do espaço-tempo criada por um objeto massivo dá origem a lentes gravitacionais [RJ A Lambourne, 2010, pg 223].

Até a relatividade geral, na física de Isaac Newton, o espaço e o tempo eram considerados os estágios imutáveis nos quais os eventos do universo aconteciam, embora Newton também tivesse previsto a curvatura da luz, mas em uma extensão muito menor do que Einstein. 

Mudar o espaço-tempo para um aspecto dinâmico e mutável do universo era controverso e significava que a relatividade geral exigiria uma grande quantidade de evidências antes de ser aceita pela comunidade física do século XX. Felizmente, as lentes gravitacionais forneceram exatamente o tipo de efeito previsível e observável que poderia ser usado para fornecer essa evidência. 

COMO AS LENTES GRAVITACIONAIS PROVARAM QUE EINSTEIN ESTAVA CERTO

A primeira imagem de campo profundo capturada pelo JWST mostra galáxias distorcidas e distorções criadas por lentes gravitacionais que envergonham os relógios derretidos de Salvador Dali. Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA e STScI

A relatividade geral sugere que, como resultado da lente gravitacional, a curvatura da luz de uma fonte de fundo ao passar por uma lente gravitacional faz com que o objeto de onde se origina apareça em um local diferente no céu do que normalmente.

O astrônomo Arthur Stanley Eddington acreditava que essa mudança na posição aparente era a chave para fornecer a verificação da relatividade geral. Ele pensou que poderia usar um eclipse solar e o escurecimento do sol para observar a aparente mudança de posição de estrelas bem estudadas causada pela massa do sol.

Eddington aproveitou o eclipse de 1919 para testar essa ideia, viajando para Sobral, no norte do Brasil, para observar o eclipse, enquanto uma segunda equipe viajou para a ilha de Príncipe, na costa da África Ocidental, para fazer observações semelhantes. 

Durante o eclipse de 1919, o sol pousou em frente ao aglomerado estelar de Híades, um aglomerado de estrelas brilhantes na constelação de Touro. O efeito de curvatura da luz seria mais próximo do disco solar e, felizmente, muitas estrelas de Híades seriam visíveis perto do disco solar durante o eclipse. 

Apesar de muitos problemas técnicos experimentados durante a expedição dupla, Eddington e a segunda equipe liderada pelo astrônomo Andrew Claude de la Cherois Crommelin observaram um desvio da luz dessas estrelas como resultado do sol vindo entre elas e a Terra que era consistente com as previsões de relatividade geral. A mudança na posição aparente foi o dobro da prevista pela teoria da gravidade de Newton. 

Embora as descobertas tenham causado controvérsia, muitos experimentos semelhantes de eclipses realizados depois disso confirmaram ainda mais as lentes gravitacionais e a curvatura do espaço por objetos maciços e revelaram mais sobre esse incrível fenômeno decorrente da gravidade. 

TIPOS DE LENTES GRAVITACIONAIS

Existem três tipos principais de lentes gravitacionais, de acordo com a Universidade da Califórnia, Berkeley, lentes fortes, lentes fracas e microlentes. 

LENTE GRAVITACIONAL FORTE

 Como o nome sugere, o efeito de lente forte é o mais extremo deles e ocorre quando a lente gravitacional é particularmente massiva e a fonte de fundo que está sendo lente está próxima a ela. Isso significa que a luz dessa fonte pode seguir vários caminhos além da lente gravitacional, dependendo de quão perto seu caminho a leva. Como resultado, a luz fortemente ampliada de um único objeto pode chegar a um observador em momentos diferentes. 

Se o objeto de fundo que está sendo fotografado variar com o tempo, suas múltiplas imagens também irão variar. Isso não apenas pode ser usado para rastrear o desenvolvimento de eventos explosivos como supernovas, a morte explosiva de estrelas massivas, mas também pode ser usado para medir a rapidez com que o universo está se expandindo, uma taxa conhecida como constante de Hubble, explicado pela Universidade da Califórnia, Berkeley.

Resultados de lentes gravitacionais fortes

A primeira vez que várias imagens foram vistas de um único objeto foi em 1979, quando os astrônomos viram a imagem dupla de um quasar, que veio a ser conhecido, um tanto imprecisamente, como o "Quasar Gêmeo". 

Inicialmente acreditando que eram dois quasares separados, designados Q0957+561 A e B, os astrônomos estudaram seus espectros de rádio e luz visível, descobrindo que são idênticos. Uma equipe de cientistas liderada por Dennis Walsh concluiu que esses quasares gêmeos são, de fato, o mesmo objeto, cuja luz tomou caminhos diferentes ao redor de uma galáxia fraca, mas detectável entre o quasar e a Terra, com essa galáxia atuando como uma lente gravitacional. [RJ A Lambourne, 2010, pág. 223].

Desde 1979, os astrônomos descobriram que as lentes gravitacionais Stang podem criar algumas manifestações estranhas e maravilhosas. 

De acordo com a ESA, os resultados de lentes gravitacionais fortes são diferentes dependendo da forma do objeto que está fazendo as lentes. Os tipos mais simples de lentes gravitacionais ocorrem quando há um único objeto distorcendo o espaço-tempo e curvando a luz.

Se uma lente gravitacional é esférica, ela cria o que é conhecido como anel de Einstein, no qual um único objeto é repetido em um arranjo circular. Se o objeto da lente gravitacional for alongado, como algumas galáxias, por exemplo, o objeto de fundo é replicado em um arranjo semelhante a uma cruz, conhecido como cruz de Einstein.

Uma ilustração da ESA mostra os diferentes arranjos criados por lentes gravitacionais de formatos variados. Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia

A ESA acrescenta que lentes gravitacionais mais complexas ocorrem quando o objeto de lente é uma forma irregular ou um arranjo de objetos massivos, como um aglomerado galáctico. Nesses casos, o efeito nas fontes de fundo distorce sua aparência, espalhando-as pela imagem e fazendo com que pareçam arcos ou até mesmo esticadas como caramelo. 

Esse efeito impressionante é particularmente proeminente nos arcos e redemoinhos que representam galáxias com lentes vistas na primeira imagem entregue ao público pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), a imagem de campo profundo do aglomerado de galáxias SMACS 0723 revelada pelo presidente dos EUA, Joe Biden, em 11 de julho de 2022. 

Essas manchas criadas por aglomerados galácticos que atuam como lentes gravitacionais podem ser estudadas para avaliar a distribuição de massa dentro desses aglomerados. Isso é particularmente útil para os astrônomos que estudam a distribuição da matéria escura ao redor das galáxias.

Embora a matéria escura não interaja com a radiação eletromagnética e, portanto, não emita, absorva ou reflita luz, ela possui massa, o que significa que distorce o espaço-tempo e interage gravitacionalmente, assim como a "matéria comum" que compõe os componentes visíveis das galáxias.

Isso significa que, observando a quantidade de lentes gravitacionais causadas por uma galáxia ou um aglomerado de galáxias e comparando-as com as lentes que teriam surgido apenas da matéria visível naquele agrupamento, como estrelas e gás quente, os astrônomos podem determinar quanto de matéria escura invisível está presente e como ela é distribuída. 

LENTE GRAVITACIONAL FRACA E MICRO

A lente fraca ocorre quando a lente gravitacional não é extrema o suficiente para dar origem a várias instâncias do mesmo objeto na mesma visão do universo ou para criar galáxias manchadas visualmente impressionantes. As lentes fracas ainda causam alguma distorção, mas isso não pode ser visto em galáxias individuais, então a única maneira de realmente ver o efeito das lentes fracas é olhando para muitas galáxias e calculando a média do efeito entre elas.

As lentes gravitacionais fortes e fracas vêm de objetos incrivelmente massivos como galáxias ou aglomerados galácticos, mas objetos muito mais diminutos também podem distorcer o espaço-tempo e desviar o caminho da luz. A microlente gravitacional [RJ A Lambourne, 2010, pg 225] ocorre quando um objeto de lente tem uma massa semelhante à do sol ou várias vezes maior que a de nossa estrela.

Embora a distorção criada pela microlente gravitacional possa ser sutil demais para ser detectada, ela cria um brilho nos objetos. Isso significa que a microlente gravitacional pode ser usada para monitorar mudanças no brilho de estrelas bem estudadas. O brilho de uma estrela distante por um período de dias ou semanas pode indicar que um objeto denso e escuro passou na frente dessas estrelas, fazendo com que elas fossem temporariamente obstruídas.

A microlente tornou-se uma maneira viável de detectar buracos negros, que não emitem nenhuma luz além da superfície de captura de luz que atua como seu limite, conhecido como horizonte de eventos, e, portanto, não podem ser vistos a menos que estejam criando turbulência e condições violentas de gás e poeira ao seu redor, fazendo com que brilhe. Isso ocorre porque, como ainda possuem massa, os buracos negros ainda distorcem o espaço e, portanto, ainda dão origem a uma pequena quantidade de lentes gravitacionais.

A ampliação da luz causada por lentes gravitacionais foi usada com grande efeito pelo Telescópio Espacial Hubble, que a empregou para estudar a estrutura das primeiras galáxias. De sua posição sobre a Terra, livre dos efeitos de desfoque da atmosfera do nosso planeta, o Hubble, que estuda o universo desde 1990, pode ver as primeiras galáxias com lentes gravitacionais que os telescópios terrestres não são capazes de observar. 

Isso ajudou o telescópio inovador a estudar a estrutura de galáxias que não poderiam ser vistas sem o uso de lentes gravitacionais, mesmo pelo novo e mais poderoso parceiro do Hubble, o Telescópio Espacial James Webb (JWST), de acordo com a NASA. 

O JWST seguiu o exemplo do Hubble, usando lentes gravitacionais com grande efeito e produzindo imagens com galáxias distorcidas e espalhadas em torno de uma lente de aglomerado galáctico de tal forma que deixaria o pintor abstrato Salvador Dali orgulhoso. 

Em apenas seu primeiro ano de operação desde que entrou em operação em meados de 2022, o JWST se baseou no trabalho do Hubble usando lentes gravitacionais para ver quatro das mais distantes e, portanto, as primeiras galáxias conhecidas até hoje. Essas galáxias, JADES-GS-z10–0, JADES-GS-z11–0, JADES-GS-z12–0 e JADES-GS-z13–0, existiam quando o universo de 13,8 bilhões de anos tinha apenas cerca de 350 milhões de anos.

Victor Chan

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O que é lente gravitacional e o que a causa?

Referência:

LEA, Robert. A cosmic magnifying glass: What is gravitational lensing? Space, Nova York, 31, mai. 2023. References. Disponível em: <https://www.space.com/gravitational-lensing-explained>. Acesso em: 15, jun. 2023.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.