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Una lente gravitazionale ci ha consentito di vedere 4 immagini della stessa esplosione di una supernova

Tutti ben sanno che quando un raggio luminoso attraversa un mezzo trasparente come l’acqua, la direzione originale del raggio viene modificata. Per questo  motivo, quando vediamo una cannuccia in un bicchiere ci appare come se fosse “spezzata” lungo la superficie dell’acqua.  Questo fenomeno può essere descritto utilizzando un elegante principio fisico dovuto a Fermat: nel  muoversi tra due qualsiasi punti dello spazio, un raggio luminoso, tra tutte  le possibili traiettorie, segue quella o quelle che gli consentono di muoversi
tra i due punti nel minor tempo possibile.  La luce, quindi, si comporta un  po’ come un bagnino che deve decidere quale traiettoria utilizzare per salvare  una persona in difficoltà in acqua: poiché il bagnino si muove più rapidamente  sulla spiaggia che in acqua, dovrà percorrere una spezzata opportuna che, di
fatto, segue le stesse leggi della rifrazione.  Più precisamente, la luce  segue percorsi che siano estremi tra tutti quelli possibili: potrà quindi  seguire ugualmente la traiettoria più veloce o quella più lenta.
 
Non tutti però sanno che qualcosa di analogo avviene alla luce quando si  avvicina ad un corpo massiccio.  Si può mostrare infatti che il campo  gravitazionale generato da un corpo massiccio non solo provoca una curvatura  dello spazio, così come predetto dalla Relatività di Einstein, ma è anche  possibile descrivere il moto della luce in questo spazio utilizzando un indice  di rifrazione effettivo, che dipende dall’ampiezza del potenziale  gravitazionale.  In tal modo, quando la luce passa vicino a una galassia, attraversa regioni con un indice di rifrazione variabile e subisce una deflessione.  Questo fenomeno, chiamato lensing gravitazionale, è analogo alla  ben più nota rifrazione atmosferica: quando il sole è basso sull’orizzonte la  sua luce deve attraversare regioni via via più dense dell’atmosfera, e subisce quindi una deflessione significativa.  In effetti, quando osserviamo un oggetto sull’orizzonte, la sua posizione reale (cioè quella ottenuta in assenza di atmosfera) è più di mezzo grado sotto l’orizzonte. 
Una lente gravitazionale abbastanza forte è in grado di produrre immagini multiple a partire da una singola sorgente.  Questo spettacolare effetto è  stato osservato per la prima volta nel 1979 e da allora si conoscono migliaia di casi differenti.  Generalmente la lente è costituita da una galassia o un ammasso di galassie, mentre la sorgente può essere una galassia distante o un quasar. 

Per avere immagini multiple, la sorgente deve essere ben allineata con la lente: se l’allineamento fosse perfetto e la lente perfettamente  simmetrica, vedremmo allora un intero anello di luce (chiamato Einstein ring,  e osservato in rari casi); più facilmente però si osservano due o quattro  immagini della sorgente (croce di Einstein).
 
Un esempio spettacolare di croce di Einstein è stato di recente osservato dal  telescopio spaziale Hubble.  In questo caso, la sorgente è una galassia a  spirale molto distante (posta a redshift 1.49), la cui immagina è stata distorta e amplificata dalla lente, una galassia ellittica in un ammasso di galassie. Sorprendentemente, durante le osservazioni di questo sistema è stata osservata l’esplosione di una supernova in uno dei bracci della galassia  a spirale: in questo modo, a causa della lente gravitazionale, l’immagine  della supernova è apparsa quattro volte, formando così una croce di Einstein.  

È la prima volta che siamo tanto fortunati da osservare un fenomeno del genere.  Proprio come previsto dal principio di Fermat, il tempo impiegato dalla luce a percorrere le varie traiettorie che portano dalla supernova a noi attraverso le quattro immagini è differente.  Pertanto, in realtà è stata osservata più volte, e in tempi differenti, l’esplosione della stessa stella! 

I modelli di  lensing del sistema prevedono poi che saremmo in grado di osservare una  ulteriore immagine della stessa supernova in una ulteriore immagine della  galassia a spirale, vicino ad un’altra galassia ellittica dell’ammasso. Cercando di misurare il tempo di ritardo, cioè la differenza dei tempi tra le  varie immagini, è possibile ottenere una misura diretta della distanza della  lente e della sorgente.  Al redshift cui è posta la supernova, questo tipo di misure potrebbero rivelarsi molto utili per effettuare misure indipendenti della velocità di espansione dell’Universo (la costante di Hubble), o per studiarne la geometrica (così come descritta dai parametri cosmologici).

 

Marco Lombardi

 

Per saperne di più: articolo su Science

Press release

24 marzo 2015
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