La luz emitida por una estrella va perdiendo intensidad a medida que se expande por el Universo. Si observamos el firmamento nocturno a simple vista, en un lugar libre de contaminación lumínica, la mayoría de las estrellas que podemos ver se encuentran dentro de una esfera que tienen de radio 1.500 años luz alrededor nuestro. Con un telescopio podemos distinguir estrellas individuales más alejadas, pero si quisiéramos ver las que se encuentran mucho más allá y vislumbrar alguna de las que componen las más alejadas galaxias, necesitaríamos una lentes tan extraordinariamente grandes y potentes que resultan imposibles de construir. No obstante, donde no llega la tecnología humana, la naturaleza nos da una oportunidad, gracias a una propiedad del espacio-tiempo revelada por Einstein en su Teoría General de la Relatividad.

El sabio alemán propuso que los rayos de luz curvan su trayectoria cuando pasan cerca de un objeto masivo. La hipótesis fue demostrada por el físico inglés Eddington al captar las imágenes de estrellas cercanas al disco solar durante el eclipse solar del 29 de mayo de 1919. Este efecto solo puede observarse durante un eclipse, porque, en caso contrario, el brillo del Sol impide la visión de las estrellas. Las fotografías tomadas por Eddington demostraron que, como proponía Einstein, las estrellas aparecían desplazadas de su posición. La observación no solamente corroboró la validez de la Teoría General de la Relatividad sino que abrió el camino a la posibilidad de que grandes concentraciones de masa se comportaran como lentes gravitatorias capaces de amplificar la luz de objetos mucho más lejanos y hacerlos visibles para nosotros.

Gracias a las lentes gravitatorias, los científicos han podido descubrir multitud de imágenes de objetos muy alejados de nosotros. La estrella más lejana jamás descubierta hasta ahora es Earendel y fue dada a conocer el pasado mes de marzo de 2022 en la revista científica Nature. La imagen de la estrella fue detectada en una fotografía tomada con el telescopio espacial Hubble enfocado a un enorme cúmulo de galaxias denominado WHL0137-08. Gracias al poder amplificador de esa enorme lente natural, en la imagen aparecen objetos mucho más lejanos, que pertenecían al Universo cuando tenía tan sólo un 7 por ciento de su edad actual. El análisis del desplazamiento al rojo de la luz de la estrella revela que Earendel está situada en 12.900 millones de años de distancia.

El ejemplo de Earendel ilustra la importancia de las lentes gravitatorias en la observación del Universo y a ello ha dedicado su trabajo de investigación nuestro invitado en Hablando con Científicos, José María Palencia Sainz, estudiante de doctorado en el Instituto de Física de Cantabria. José María trabaja en la elaboración de ecuaciones que permiten el estudio de los fenómenos que proporcionan una amplificación extrema en algunas estrellas.

José María explica que las lentes gravitatorias, cuando están formadas por concentraciones de masa enormes como los cúmulos de galaxias, pueden proporcionar imágenes distorsionadas o múltiples de los objetos situados detrás. El estudio de estos objetos es muy complejo porque las galaxias que componen el cúmulo no crean una lente uniforme, dado que su masa está concentrada de manera desigual y contienen estrellas que, a su vez, producen su propio efecto de microlente gravitatoria. Cuando los efectos de esos componentes se suman, en ocasiones, pueden crear puntualmente una amplificación enorme, mil veces mayor de la que correspondería a la estrella lejana vista sin la lente gravitatoria. Estos efectos de gran amplificación son los que permiten observar objetos de pequeño tamaño, como sucede con Earendel.

Las observaciones de gran amplificación son complejas porque a la contribución de la materia desigualmente distribuida de un cúmulo de galaxias y la aportación de microlente gravitatoria que aportan las estrellas que contienen, se añade el movimiento de las propias estrellas, lo que hace que las observaciones muy amplificadas sean difíciles de estudiar. Estrellas que sufren una alta magnificación pueden aparecer y desaparecer cuando los movimientos de las lentes y las propias estrellas se conjugan. La observación continuada de determinadas zonas del cielo con telescopios como el Hubble o el James Webb permite estudiar cómo son, tanto las lentes como los objetos observados. El trabajo de José María Palencia consiste en elaborar simulaciones de enormes regiones del cielo donde se da la máxima magnificación y obtener las ecuaciones que gobiernan estos fenómenos.

Las ecuaciones obtenidas permiten estudiar eventos observados y analizarlos en busca de parámetros difíciles de detectar como la presencia de materia oscura.

Os invito a escuchar a José María Palencia, estudiante de doctorado en el Instituto de Física de Cantabria y ponente en la XV Reunión Científica de la Sociedad Española de Astronomía