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Le lenti gravitazionali

articolo di Belli Sirio

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Quando Galileo Galilei puntò un cannocchiale al cielo per la prima volta, la storia dell'astronomia cambiò per sempre. Usando dei semplici pezzi di vetro levigati in precise forme geometriche, d'un tratto fu possibile ammirare pianeti, stelle e galassie fino ad allora sconosciuti all'umanità. Ma come funziona esattamente una lente?
Quando un raggio di luce passa attraverso un materiale trasparente, come il vetro o la plastica, può venire più o meno deflesso a seconda della forma e delle proprietà del materiale. Scegliendo accuratamente il tipo di materiale e la forma della lente è possibile concentrare i raggi luminosi in un punto, detto fuoco. Posizionando la pupilla (o una macchina fotografica) in questo punto, vedremo i raggi luminosi provenire da diverse direzioni, e l'oggetto osservato sembrerà più grande di quello che è in realtà. Dunque la caratteristica di una lente è quella di poter deviare i raggi luminosi. Qualunque oggetto possa deviare la luce è quindi adatto a costruire un telescopio.

Secondo la teoria della relatività ogni oggetto dotato di massa curva lo spazio-tempo attorno ad esso, e questa curvatura produce ciò che noi chiamiamo forza di gravità. Ma se la gravità è prodotta dalla curvatura dello spazio-tempo, significa che tutto, anche un raggio di luce, può subire un'attrazione gravitazionale. E se un raggio di luce viene deviato nel suo percorso, deve essere possibile, in principio, costruire una lente... gravitazionale.

Il problema è che la quantità di massa necessaria per deviare la luce è enorme. L'intera massa del sole è in grado di deviare la luce solo di pochissimo. Ma il sole è solo una stella: cosa succede se invece usiamo una galassia, la cui massa può essere superiore a quella di un miliardo di soli? O ad un ammasso contenente migliaia di galassie? Ebbene in alcuni casi è possibile vedere queste lenti gravitazionali in azione, e la luce proveniente da galassie ancora più distanti viene amplificata proprio come se ci fosse un'enorme lente cosmica. Questa è una delle conferme più spettacolari della teoria della relatività.

Naturalmente non possiamo configurare le galassie a nostro piacimento, dando loro la forma di una bella lente sferica, per cui l'immagine risultante sarà piuttosto deformata. Inoltre, non possiamo puntare le galassie dove vogliamo come facciamo come un telescopio, quindi le lenti gravitazionali si presenteranno solo in quei fortunati casi in cui una galassia vicina (la lente) e una galassia lontana (l'oggetto che viene ingrandito) sono allineati con la Terra. Ma dato che di galassie nell'Universo ve ne sono parecchie, a tutt'oggi sono state scoperte centinaia di lenti gravitazionali.

Gli esempi più eclatanti di lenti gravitazionali sono i cosiddetti anelli di Einstein: nel caso in cui l'allineamento tra le galassie sia perfetto, la luce della galassia più lontana viene a formare un anello luminoso, un po' come quello che si ottiene guardando una sorgente luminosa attraverso un telescopio non messo a fuoco.
La luce di galassie lontane può venire amplificata fino a 100 volte da una lente gravitazionale. Questo fenomeno offre quindi un'opportunità unica per studiare le galassie più lontane e deboli, che non sarebbero visibili neanche con i più grandi telescopi oggi esistenti se non fossero ingrandite da una lente gravitazionale. In questo modo sono state scoperte alcune delle galassie più lontane, che possiamo osservare ad un'epoca in cui l'Universo era ancora "giovanissimo": aveva meno di un miliardo di anni.

Vi è anche un'altra importante applicazione delle lenti gravitazionali. Misurando la deflessione della luce è possibile ricavare la massa dell'oggetto che fa da lente. Ad esempio misurando il diametro apparente di un anello di Einstein possiamo ricavare la massa della galassia-lente. Questo metodo fornisce la misura più diretta della massa delle galassie, ed è particolarmente importante perché permette di studiare anche ciò che non emette luce (infatti la luce che osserviamo proviene dalla galassia più lontana, non dalla galassia che fa da lente). Le lenti gravitazionali sono infatti di fondamentale importanza nello studio della materia oscura, una forma di materia che non emette alcuna luce ma che è stata scoperta tramite la forza di gravità esercitata dalla propria massa sulla materia "ordinaria".


 
Schema che illus...
Schema che illus...

 
 

 
osservatorio
Questo articolo è stato pubblicato sul giornalino Pulsar (numero 36, anno 2012)

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