¿Una lente gravitacional? ¿En casa?
¿Se te ha perdido un tornillo?
Sí, sí y no. Si seguís conmigo unos minutos, verás cómo con un objeto que todos tenemos en casa podrás emular un efecto cosmológico que predijo Einstein
a partir de su Relatividad General.
Puede que las lentes gravitacionales sean fenómenos muy alejados de la experiencia de todos los días, pero no por ello son muy difíciles de entender…
La luz viaja a través del espaciotiempo siguiendo la trayectoria más corta posible. En regiones planas —visualizadlo como si fuera un folio sobre una mesa
— los rayos de luz se propagan en línea recta.
Dibuja una recta en el folio con lápiz y regla.
Si curvamos el espaciotiempo de algún modo, la luz se dobla.
Toma el folio por dos extremos opuestos y empuja un poco
la recta ya no es “recta”.
La clave de la Relatividad General está en el hecho de que una masa muy grande (una estrella por lo menos, para que se note bien el efecto) deforma el espaciotiempo a su alrededor.
La trayectoria natural de un rayo de luz que pase cerca no es ya la línea recta común que vemos cuando encendemos una linterna o un puntero láser:
se dobla hacia el objeto masivo un poco.
Si piensas en algo con una fuerza gravitatoria más poderosa, el rayo de luz se irá doblando más y más.
Un agujero negro es el caso extremo: un objeto con una fuerza de gravedad tan acusada que toda la luz que pasa más cerca de una distancia determinada (marcada por el llamado horizonte de sucesos) cae hacia él.
Un agujero negro es “negro” precisamente porque no podemos verlo,
ya que no puede reflejar nada.
Sin embargo, todos los rayos de luz que pasen cerca del horizonte de sucesos
se doblarán más o menos, pero continuarán su camino.
Esto ofrece una posibilidad de detectar agujeros negros sin tener
que verlos directamente.
Supongamos que hay un agujero negro en el camino entre la Tierra
y alguna galaxia lejana.
La luz de la galaxia que queda ocluida por el horizonte de sucesos del agujero no podrá verse. La que pase un poco más lejos se doblará, y parte llegará hasta nosotros como si viniera de un punto distinto en el cielo.
Para una alineación perfecta y suponiendo todo simétrico, percibiremos desde nuestro telescopio en la Tierra un anillo: el anillo de Einstein.
Anillos de Einstein fotografiados por el telescopio Hubble
De acuerdo, ya tenemos una idea algo más clara —espero— de lo que es una lente gravitacional. Nos hemos centrado en el tipo “fuerte”, pero hay otros.
Ni siquiera es necesario usar algo tan drástico como un agujero negro para ilustrarlas (los de la foto del ejemplo están creados por galaxias elípticas
muy densas).
¿Todo bien, hasta aquí?
Es el momento de emular una lente gravitacional en casa.
Con agujero negro incluido.
—Majara perdido, lo que yo decía.
Tranquilos: no hace falta que tu amigo físico te traiga ningún trozo de materia exótica del CERN. Sólo necesitas algunas decenas de litros de agua,
un recipiente grande con desagüe (una bañera sirve) y algún modo de dejar caer en él pequeñas gotas de agua de forma continua.
El grifo de la bañera tiene que quedar un poco más cerca de la pared
de la bañera que el desagüe.
Si está justo encima no sirve—en ese caso, necesitarás crear las gotas de agua de algún otro modo.
Es mejor usar el recipiente más grande posible porque necesitamos
que sus paredes estén relativamente lejos.
A fin de cuentas, vamos a hacer que la superficie del agua de la bañera
simule el espacio interestelar: ahí es nada.
Esta será nuestra receta:
Llena la bañera hasta la mitad con agua.
El agua dejarla reposar hasta que su superficie quede perfectamente plana y libre de impurezas macroscópicas .
Ya tenemos nuestro espacio interestelar:
es como el folio del ejemplo del principio, pero más flexible.
Con cuidado, abrir el grifo lo justo para que caigan al agua gotas lo más pequeñas posible, de forma regular.
Deja el grifo así un minuto y contempla tu obra: has creado una estrella.
El punto en el que caen las gotas emite ondas que recuerdan a cómo se suelen dibujar las antenas en funcionamiento: recordando que un rayo de luz puede verse como un fotón o como una onda no será difícil imaginar que en ese lugar hay una estrella “emitiendo”.
Con más cuidado, quita el tapón del desagüe y espera que se estabilice el sistema. Con un poco de suerte se formará un remolino en la superficie del agua. Aquí está el agujero negro.
Inmediatamente veremos que las ondas formadas por las gotas que caen se dividen en dos al alcanzar el remolino.
Si nos fijamos en algún punto más alejado en la línea que une el lugar donde caen las gotas y el centro de la perturbación veremos que llegan dos frentes de onda en vez de uno solo.
Un observador, por tanto, vería dos fuentes de luz en lugar de una.
Trasladado al caso de los anillos de Einstein que mostraba antes, sería como si pusiéramos un folio inmenso cortando toda la escena: galaxia de fondo, perturbación gravitatoria y nosotros mismos.
El anillo aparecería como dos puntos en este espacio de dos dimensiones, ¡exactamente lo que estamos haciendo en la bañera!
Pero no tienen que creerme: háganlo ustedes.
Podemos combinar este sencillo experimento con otro que nos dará una impresión tridimensional de la trayectoria de la luz que da lugar a un anillo de Einstein.
Preparen una copa de vino limpia, algo que emita un poco de luz (una linterna, una vela) y haced lo que nos muestra Phil Marshall, del SLAC National Accelerator Laboratory, en este vídeo
Hemos visto que con un poco de ingenuidad e imaginación podemos recrear
el universo en una bañera.
Hay personas, más cerca de lo que imaginamos, que hacen este ejercicio
en sus cerebros y ordenadores como modo de vida.
