Quando Albert Einstein sviluppò la teoria della Relatività Generale quasi un secolo fa, ipotizzò che il campo gravitazionale di oggetti di grande massa potesse deformare notevolmente lo spazio e deviare persino la luce.
L’illusione ottica creata da questo effetto è chiamata "lente gravitazionale". È l’equivalente naturale di una lente di ingrandimento gigantesca nello spazio, che distorce ed amplifica la luce di oggetti più distanti. Einstein descrive l’effetto "lente gravitazionale" in un lavoro pubblicato nel 1936. Però egli pensava che non sarebbe stato possibile vederlo perché le distorsioni ottiche, prodotte dalla deformazione dello spazio dovuto alle stelle in primo piano, erano troppo piccole da potere essere osservate, anche con i più grandi telescopi di quel periodo.
Adesso, quasi un secolo più tardi, gli astronomi hanno unito i vantaggi di due potenti strumenti astronomici, il Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e l’Hubble Space Telescope, per identificare 19 nuove galassie sotto l’effetto delle lenti gravitazionali, aumentando significativamente il numero di 100 lenti gravitazionali finora conosciute. Tra queste 19, hanno trovato 8 cosiddetti “anelli di Einstein”, che sono probabilmente la più elegante manifestazione del fenomeno di lente gravitazionale. Solo tre di questi anelli erano stati precedentemente osservati nel visibile.
Nell’effetto dovuto alla lente gravitazionale, la luce proveniente da una galassia distante può essere deviata, nella sua traiettoria verso la terra, dal campo gravitazionale di qualunque oggetto di grande massa presente nel percorso. Per questo noi vediamo la galassia in modo distorto, come un arco o come un insieme di immagini multiple separate. Quando le due galassie sono perfettamente allineate, la luce forma, attorno alla galassia più vicina, una figura ad occhio di bue chiamata anello di Einstein.
La recente scoperta di queste lenti gravitazionali è il frutto di un progetto chiamato Sloan Lens Survey (SLACS). Un team di astronomi, guidato da Adam Bolton dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge (Massachusetts) e da Leon Koopmans del Kapteyn Astronomical Institute in Olanda, ha selezionato delle "probabili lenti” tra le molte centinaia di migliaia di spettri ottici di galassie ellittiche del programma SDSS. Poi, per conferma, si sono usati gli occhi acuti della Hubble Adanced Camera for Surveys.
"L’ampiezza del programma SDSS, insieme con la qualità delle immagini del telescopio di Hubble, ci ha dato questa opportunità senza precedenti per scoprire nuove lenti gravitazionali" ha spiegato Bolton "siamo riusciti a identificare quella galassia su 1.000 che ha subito la distorsione gravitazionale da parte di un’altra galassia.
Il team ha analizzato gli spettri di circa 200.000 galassie lontane da 2 a 4 miliardi di anni luce. Il team stava cercando la prova di emissioni da parte di galassie a distanza doppia dalla Terra ed esattamente dietro alle galassie più vicine. E’ stata usata la Hubble Advanced Camera for Surveys per riprendere le immagini di 28 di queste possibili lenti gravitazionali. Studiando gli archi e gli anelli prodotti da 19 di queste candidate-lenti, gli astronomi possono misurare con precisione la massa delle galassie in primo piano.
Oltre a produrre strane forme, il fenomeno delle lenti gravitazionali permette agli astronomi di sondare la distribuzione della materia oscura nelle galassie ellittiche. La materia oscura è una forma invisibile ed esotica di materia che non è ancora stata osservata direttamente. Gli astronomi ne suppongono l’esistenza misurando la sua influenza gravitazionale. La materia oscura pervade interamente le galassie e costituisce la maggior parte di materia dell’Universo. Cercando la materia oscura nelle galassie, gli astronomi sperano di acquisire dettagli sulla formazione delle galassie, iniziata probabilmente attorno ai punti in cui, nell’Universo primitivo, si concentravano grumi di materia oscura.
"I nostri risultati indicano che, in media, queste galassie-lenti ellittiche hanno la stessa struttura peculiare di massa e densità simile a quella osservata nelle galassie a spirale" ha detto Bolton. "Questo corrisponde ad un aumento della proporzione di materia oscura quanto più ci si allontana dal centro della galassia-lente verso la periferia. Dato che queste galassie-lenti sono relativamente luminose, noi possiamo verificare questo risultato grazie al ulteriori osservazioni spettroscopiche fatte con telescopi dalla Terra.
"Noi siamo in grado di studiare queste ed altre lenti gravitazionali andando indietro nel tempo di alcuni miliardi di anni e possiamo quindi vedere direttamente se la distribuzione della massa oscura (invisibile) e quella visibile cambia nel tempo cosmico" ha aggiunto Koopmans "Con queste informazioni, possiamo provare l’idea comunemente diffusa che le galassie si formino da collisioni o fusioni di galassie più piccole".
Il programma Sloan Digital Sky Survey, da cui sono state scelte le probabili stelle-lenti utilizzate nel programma SLACS, è iniziato nel 1998 con un telescopio a terra, appositamente progettato per misurare i colori e la luminosità di più di 100 milioni di corpi celesti in un quarto di cielo e per calcolare le distanze di un milione di galassie e quasar. "Questo tipo di rassegna delle lenti gravitazionali non era lo scopo originale del SDSS ma è stato reso possibile dalla eccellente qualità dei dati SDSS" ha detto Scott Burles, un membro del SLACS ed uno dei creatori del SDSS, appartenente al Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Mass.
"Un vantaggio in più, dovuto al grande database del SDSS, è la possibilità di stabilire i nostri criteri di ricerca in modo da poter cercare le lenti gravitazionali più adatte ai nostri scopi scientifici" ha affermato Tommaso Treu dell’Università della California, Santa Barbara. "Mentre fino ad ora abbiamo selezionato le galassie più grandi come nostro bersaglio, nelle prossime tappe dell’esplorazione ci rivolgeremo verso galassie-lenti più piccole. Abbiamo l’impressione che la struttura delle galassie si modifichi a seconda delle dimensioni. Identificando questi oggetti rari, scelti appositamente, saremo per la prima volta capaci di controllare se ciò sia vero".
Leonidas Moustakas, membro del team SLACS del Jet Propulsion Laboratory della NASA e del CAlifornia Institute of Technology di Pasaena, Calif., "Questi anelli di Einstein danno anche una splendida visione ingrandita delle galassie oggetto del fenomeno lente, permettendoci di studiare le stelle e la storia delle formazioni di queste galassie distanti."
Il programma SLACS sta continuando e finora il team ha usato Hubble per studiare quasi 50 delle probabili galassie-lenti. In totale ci si aspetta di superare le 100, con molte nuove galssie-lenti tra di esse. I risultati iniziali del nostro programma apparirano nel numero di Febbraio 2006 dell’ Astrophysical Journal e in altri due articoli che sono stati mandati a quel giornale.