lente gravitacional

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se curva a su alrededor, como un corredor que dobla la esquina del estadio. Para una estrella de neutrones, ese ángulo de desviación suele considerarse igual al de una masa puntual.

La regla para medir el disco invisible no se aplica directamente sobre él, sino a través de todo el universo. La luz de un cuásar lejano, gas incandescente que gira alrededor de un agujero negro supermasivo, atraviesa en su camino hacia nosotros una galaxia que actúa como lente.

En el vasto salón de la mascarada cósmica, los cuásares son los actores más hábiles. Se ponen disfraces ajenos, cambian su maquillaje y se hacen pasar por lo que no son. Dos de estos «disfrazados» llamaron la atención de los astrónomos: ambos aspiraban al papel de cuásares con lente gravitacional en el universo temprano, pero la verificación les quitó las máscaras.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

En el cielo austral, tras un denso velo de polvo, se esconde una fuente de rayos gamma, la luz más energética del universo. Brilla con tanta intensidad que se ve incluso a través de ese velo, pero el objeto en sí permanece invisible. Los astrónomos apuntaron el radiotelescopio ALMA hacia las nubes de gas cercanas y vieron un patrón que delató al invisible.

El cielo nocturno está lleno de luces engañosas. Los astrónomos buscaban galaxias que se encendieron en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang; su luz ha viajado hacia nosotros durante casi 13 mil millones de años. Seis tenues manchas fueron seleccionadas a partir de imágenes de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer.

El cielo nocturno parece uniforme, pero en realidad tiene grumos: enormes comunidades de galaxias que, como lentes, curvan la luz de objetos distantes. Cuando en algún lugar del universo ocurre una breve y potente ráfaga de radio, su camino hacia el telescopio terrestre puede pasar cerca de uno de estos grumos.

El cielo nocturno parece uniforme, pero en realidad tiene grumos: enormes comunidades de galaxias que, como lentes, curvan la luz de objetos distantes. Cuando en algún lugar del universo ocurre una breve y potente ráfaga de radio, su camino hacia el telescopio terrestre puede pasar cerca de uno de estos grumos.

Cada mañana, el barrendero amontona las hojas en un montón. El Sol, al atravesar la galaxia, hace algo parecido: su gravedad reúne el gas interestelar disperso en un cono invisible, un embudo gigante.

Una galaxia se parece a una ciudad: en el centro hay luces brillantes y edificios densos, y hacia las afueras, luces dispersas y vacío. Pero si observamos cómo rota el gas en el disco galáctico, vemos que en las afueras su velocidad casi no disminuye. Como si barrios invisibles siguieran sosteniendo el movimiento.

El velocímetro de una galaxia se dispara. Las estrellas exteriores giran tan rápido que, según todas las leyes de la gravedad, deberían salir despedidas, como salpicaduras de una rueda.

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

Imagina una lámpara escondida detrás de un gran acuario lleno de agua. No ves una única fuente de luz, sino varios reflejos y refracciones: el agua desvía la trayectoria de los rayos.

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

Cuando dos núcleos pesados chocan en un acelerador, nace una diminuta bola de fuego de plasma de quarks y gluones (un estado especial de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de las partículas). Esta se expande y se enfría, y las partículas que emergen a menudo resultan "giradas": sus espines se alinean a lo largo de la dirección del haz.

El haz de una linterna atraviesa la niebla. Cuanto más densa es la niebla, más se dispersa la luz y más tarde llega al ojo. Un principio similar opera con las ráfagas rápidas de radio: misteriosos pulsos ultrapotentes provenientes de galaxias lejanas.

La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.

La materia oscura es el andamiaje invisible del universo. Sabemos que existe, lo deducimos por el movimiento de las estrellas y las galaxias, pero de qué está hecho ese andamiaje, aún no se sabe. Una de las hipótesis son las partículas ultraligeras, similares a los axiones.

En 2017, los detectores registraron una onda gravitacional proveniente de la colisión de dos estrellas de neutrones. 1,7 segundos después, los telescopios vieron un destello de estallido de rayos gamma desde el mismo punto. Ese pequeño retraso se convirtió en un tesoro para los físicos.

En los oscuros confines de nuestra galaxia, lejos de los brillantes cúmulos estelares, se esconden millones de agujeros negros. Son invisibles: no emiten luz ni absorben materia de manera notable. Los métodos de búsqueda habituales, diseñados para campos estelares densos, son inútiles aquí. Se necesita otro enfoque.

En el centro de nuestra galaxia vive el agujero negro supermasivo Sagitario A*. Si un compañero invisible gira a su alrededor, su danza se puede notar por la luz de otras estrellas. La gravedad de este par actúa como una lente: cuando los agujeros negros pasan frente a una estrella de fondo, su luz se amplifica momentáneamente y se duplica.

El objeto cósmico gira, pero su sombra no es redonda. Los astrofísicos examinaron un agujero negro en una versión inusual de la gravedad: el llamado mundo brana (donde nuestro Universo es una superficie tridimensional en un espacio de más dimensiones).

En el vasto océano cósmico, la materia oscura se agrupa en grumos y filamentos, como el plancton en las corrientes. Pero si la gravedad no funciona exactamente como decía Einstein, estos patrones cambian, de forma sutil, como un leve oleaje provocado por un viento invisible.

En el centro de nuestra galaxia vive el agujero negro supermasivo Sagitario A*. Si un compañero invisible gira a su alrededor, su danza se puede notar por la luz de otras estrellas. La gravedad de este par actúa como una lente: cuando los agujeros negros pasan frente a una estrella de fondo, su luz se amplifica momentáneamente y se duplica.

Los cosmólogos se parecen a los cartógrafos, solo que en lugar de montañas y ríos, trazan en el mapa fuerzas invisibles. La energía oscura, que hace que el universo se expanda aceleradamente, sigue siendo un misterio. Una de las conjeturas es el modelo de «entrelazamiento gravitacional cinético» (KGB).

Los cosmólogos se parecen a los cartógrafos, solo que en lugar de montañas y ríos, trazan en el mapa fuerzas invisibles. La energía oscura, que hace que el universo se expanda aceleradamente, sigue siendo un misterio. Una de las conjeturas es el modelo de «entrelazamiento gravitacional cinético» (KGB).

El universo temprano no era solo un caldo caliente de partículas. En las primeras fracciones de segundo, la simetría especular podría haberse roto: el mundo y su reflejo no habrían sido del todo idénticos.

El universo se asemeja a un enorme andamiaje invisible. No lo vemos directamente, pero sabemos que existe: las galaxias y los cúmulos se mantienen unidos gracias a él. Ese andamiaje es la materia oscura. La versión más popular sostiene que es "fría" y está compuesta por partículas pesadas y lentas.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

Dos pelotas lanzadas desde alturas diferentes caen al suelo con aceleraciones distintas. En el espacio todo es más complejo: incluso el vacío hace que los cuerpos se muevan de manera diferente.

Cuatro trazos débiles en una imagen: eso es todo lo que ve un astrónomo. Como un escultor que reconstruye la forma de un vidrio invisible a partir de cuatro sombras.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

Cuatro trazos débiles en una imagen: eso es todo lo que ve un astrónomo. Como un escultor que reconstruye la forma de un vidrio invisible a partir de cuatro sombras.

El 23 de noviembre de 2023, los detectores de LIGO captaron algo extraño. La señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, denominada GW231123, apuntaba a masas récord — 137 y 101 masas solares — y una rotación anómalamente rápida. Sería la pareja más masiva y de rotación más rápida jamás registrada.

El cosmos se asemeja a una tela de seda con hilos de una red oscura que sobresalen. Las verdaderas telas las vemos solo como pequeños retazos — a través de telescopios, en catálogos reales de galaxias.

Dos galaxias — nuestra Vía Láctea y su compañera, la Gran Nube de Magallanes — giran lentamente una alrededor de la otra. Su atracción gravitacional sacude las lejanas afueras de la Vía Láctea, como una piedra lanzada a un estanque hace ondular el agua.

Ocho puntos brillantes en el cielo radioeléctrico. Son el mismo cuásar HS 0810+2554, cuya luz atravesó una lente gravitacional: una galaxia masiva en primer plano.

Hace mil años, los vikingos llevaban espato de Islandia al mar. El cristal semitransparente dividía la luz en dos rayos. Por su brillo, incluso en la niebla, podían encontrar el sol. La birrefringencia —término físico para este fenómeno— ahora ayuda a cazar la fuerza más esquiva del cosmos.

La temperatura en el centro de un cúmulo de galaxias alcanza los cien millones de grados. Estos sistemas, los más grandes ligados gravitacionalmente, son laboratorios naturales donde la naturaleza esconde el 85% de su masa en la invisible materia oscura.