Le lenti gravitazionali trasformano l'universo in un gigantesco telescopio e rivelano galassie altrimenti invisibili

La Natura offre la possibilità di osservare l’Universo primordiale grazie al fenomeno della lente gravitazionale.

Questo fenomeno di natura relativistica consiste nell’intensificare, anche di centinaia di volte, la luminosità di galassie e di oggetti così distanti dalla Terra che altrimenti non sarebbero osservabili, neanche con gli attuali più potenti telescopi.

La lente gravitazionale agisce come un telescopio naturale con la grossa limitazione che mentre un telescopio tradizionale può essere orientato in modo da poter guardare in direzioni diverse, la lente gravitazionale punta in una direzione fissata. Di contro, di tali lenti ne esistono tantissime permettendo di esplorare in tutte direzioni della sfera celeste.

La gravità che devia la luce

La massa ha la proprietà di deformare lo spazio-tempo circostanti. Una grande massa, quale quella di un ammasso di galassie, deforma una regione enorme di spazio. La luce di altri oggetti che si trova ad attraversare questa regione viene di conseguenza deviata.

Questa proprietà ha conseguenze utili quando, ad esempio, un ammasso di galassie (chiamato oggetto di foreground, cioè in primo piano) nasconde dietro, lungo la stessa linea di visuale, oggetti molto più lontani (chiamati di background, cioè di sfondo).

L’immagine di questi oggetti di background, attraversando la deformazione dello spazio tempo prodotta dall'oggetto di foreground, invece di essere bloccata, essendo lungo la stessa linea di visuale, viene deviata, riuscendo a superare l’ostacolo ed ad arrivare a Terra.

La deviazione determina una intensificazione di luminosità, un ingrandimento, ma può produrre anche immagini multiple, archi luminosi o addirittura anelli quasi perfetti chiamati “anelli di Einstein”.

In caso di masse piccole, quali quelle di stelle o pianeti, essendo l’effetto più piccolo si parla di micro-lente gravitazionale. Le micro-lenti vengono sfruttate come tecnica per la ricerca di esopianeti lontani che altrimenti non sarebbero osservabili con altri metodi.

Le lenti gravitazionali e l’universo primordiale

Uno degli esempi più spettacolari di lente gravitazionale è quella prodotta dall’ammasso di galassie Abell S1063, situato a circa 4,5 miliardi di anni luce dalla Terra. L’enorme massa dell’ammasso amplifica la luce di galassie, giacenti dietro lungo la stessa linea di visuale, risalenti alle prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.

I telescopi spaziali, Hubble e James Webb, ma anche i telescopi da Terra, stanno scoprendo tantissime lenti gravitazionali. Ma James Webb più di tutti, grazie alla sua maggiore sensibilità alla radiazione infrarossa.

Nei programmi di osservazione dell’Universo primordiale, invece di cercare direttamente le immagini piccolissime e debolissime di lontane galassie, si cercano lenti gravitazionali in modo da studiarne attorno le immagini ingrandite e luminose delle galassie più remote.

Recentemente, algoritmi basati sull’intelligenza artificiale stanno permettendo di scoprire numerose lenti gravitazionali che erano rimaste nascoste in immagini di archivio dei telescopi spaziali.

Buchi neri, materia oscura e nuove missioni

Grazie alla lente gravitazionale dell’ammasso Abell 2744 è stato possibile studiare in dettaglio un “Little Red Dots”, le enigmatiche piccole sorgenti rosse estremamente compatte presenti nell’universo primordiale. Si è potuto così scoprire che questo ospita un buco nero supermassiccio di circa 50 milioni di masse solari, molto più massiccio della galassia che lo contiene. La scoperta suggerisce che alcuni buchi neri potrebbero essersi formati prima delle loro stesse galassie, mettendo in discussione i modelli tradizionali di evoluzione cosmica.

La deformazione dello spazio-tempo è una proprietà della massa, ma non solo della massa visibile ma anche di quella oscura. Questo fenomeno si sta rivelando un potente strumento anche per la comprensione della materia oscura.

L’importanza delle lenti gravitazionali è destinata a crescere ulteriormente grazie ai nuovi osservatori come il telescopio spaziale Euclid dell’Agenzia Spaziale Europea e il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA. Questi strumenti produrranno cataloghi contenenti milioni di galassie e migliaia di nuove lenti gravitazionali.