 La Relatività Generale   [132] di Albert Einstein   (del quale si è festeggiato nel 2005, anno mondiale della fisica  , il centenario dell’annus mirabilis), ci dice che qualsiasi corpo dotato di massa [101],[283],e qualsiasi forma di energia [317] (anche la luce) allo stesso tempo generano e subiscono un campo gravitazionale [102]. Nel caso di una lente gravitazionale, si considera l'effetto dell'attrazione esercitata su un fascio di luce da parte di una qualsiasi distribuzione di massa nell'universo; sebbene in teoria anche la luce a sua volta attragga detta massa, l'effetto è infinitamente minore e viene trascurato. Qualsiasi massa nell'universo è perciò una lente gravitazionale, e come tale deflette la luce che, per così dire, le passa vicino. La Relatività Generale descrive questo effetto come una perturbazione locale dello spazio-tempo , che si manifesta con una sua curvatura. I raggi luminosi che si propagano attraverso questo spazio-tempo perturbato sentono la curvatura deviando il loro percorso e vengono per questo deflessi. L'ammontare della deflessione prodotta è proporzionale alla massa del corpo che agisce da lente ed è inversamente proporzionale alla distanza minima alla quale il raggio luminoso passa dalla lente stessa. L'effetto di lente gravitazionale ha alcune interessanti conseguenze, che hanno permesso l'osservazione di questo fenomeno in natura. Innanzi tutto, esso può dare origine alla formazione di immagini multiple di una stessa sorgente luminosa. Si supponga ad esempio di osservare una sorgente molto lontana e che interposta tra noi e questa sorgente ci sia un corpo massiccio, per esempio una stella o una galassia. Due raggi luminosi emessi dalla sorgente in direzioni diverse nello spazio, e passanti ai lati opposti del corpo massiccio, possono essere deflessi in modo tale da convergere sulla terra.
Schema del funzionamento di una lente gravitazionale. La quasar viene osservata da un osservatore della Terra, non nella sua posizione sullo sfondo delle galassia interposta ,ma in due immagini speculari che sembrano provenire dalle direzioni A e B.
Vedremo quindi la luce emessa dalla stessa sorgente arrivarci da direzioni diverse in cielo e la sorgente ci apparirà doppia. Poiché la forma delle strutture che popolano l'universo e che agiscono da lenti gravitazionali è molto complicata (si pensi ad esempio ad una galassia o ad un ammasso di galassie), si può assistere tal volta all'apparizione anche di quattro immagini della stessa sorgente. Numerose galassie, ad esempio, producono immagini multiple di quasar ,[198],[196] lontani. Poiché una sorgente emetta luce in 'fasci' di raggi luminosi e ciascun raggio passa ad una distanza leggermente diversa dalla lente, la deflessione agisce in modo differenziale. In altri termini, parti diverse del fascio subiscono diverse deflessioni. La forma originale del fascio viene pertanto modificata, e cosi' pure la forma della sorgente luminosa. Questo effetto si chiama 'distorsione' e puo' portare ad un 'ingrandimento' o ad un 'restringimento' dell'immagine della sorgente. In questo senso, una lente gravitazionale agisce talvolta da vera e proprio 'lente di ingrandimento', o 'telescopio gravitazionale', permettendoci di vedere sorgenti che in assenza di questo effetto risulterebbero troppo piccole o deboli per essere visibili. La distorsione è osservabile soprattutto nelle immagini di sorgenti estese, come le galassie: in numerosi ammassi di galassie sono state osservate immagini di galassie lontane che appaiono sotto forma di 'archi gravitazionali'. Si tratta per l'appunto del risultato dell'effetto di lente gravitazionale da parte dell'ammasso sulla luce proveniente da galassie più lontane. Le loro immagini vengono allungate a formare delle spettacolari strutture a forma di arco. Quando la terra, la massa interposta ( galassia) e l’oggetto sono perfettamente allineati si può assistere alla formazione di un immagine circolare detta Einstein Ring.
Questa animazione mostra una stella binaria “vista” attraverso una lente gravitazionale dovuta ad un’altra stella binaria interposta. (Fonte dell’animazione: www.astro.ucla.edu). I punti neri rappresentano la posizione della binaria sul fondo, i cerchi bianchi la posizione dell' oggetto cui si deve l’effetto lente. L’animazione mostra in rosso e blu le immagini distorte osservate, (incluse porzioni di Einstein ring) a seconda delle reciproche posizioni, osservatore, lente, oggetto.
Infine, quando la luce deflessa da una massa giunge ad un osservatore da direzioni diverse, come nel caso di immagini multiple discusso precedentemente, essa ha dovuto percorrere distanze diverse nello spazio. La luce viaggia ad una sua caratteristica velocità. Pertanto, anche se due raggi vengono emessi dalla sorgente nello stesso istante, dovendo fare percorsi diversi per raggiungere l'osservatore, giungono a destinazione in tempi diversi. Se ci sono immagini multiple e la sorgente emette un segnale luminoso la cui intensità varia nel tempo, tale variabilità verrà osservata nelle stesse immagini con un certo 'ritardo'. Tale ritardo può essere, nel caso di lensing da parte di galassie su quasar lontani, dell'ordine di diverse decine di giorni. Ci sono numerosissime applicazioni del lensing gravitazionale. Principalmente, lo si può usare per studiare le proprietà dei corpi che agiscono da lente e delle sorgenti che subiscono l'effetto. Ad esempio, poiché l'effetto dipende dalla massa totale della lente, il lensing permette di evidenziare la presenza di materia oscura [188] in galassie e ammassi di galassie. In alcuni casi, si è usato il lensing anche per individuare pianeti che orbitano attorne a stelle. Inoltre, poiché si tratta di un effetto di natura geometrica (cioè che dipende dalle distanze tra osservatore, lente e sorgente), esso può fornire importanti informazioni sulla geometria dell'universo.
Massimo Meneghetti - Astrofisico
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