MICROLENTES GRAVITACIONAIS: LUPAS NO UNIVERSO

 

Prof. Antonio Claret* (08 de julho de 2005)

           Quando falamos de lentes, vem à mente a clássica imagem que temos destes objetos: um cristal bem polido que normalmente aumenta o tamanho do objeto que se observa. Mas, que significa a expressão lente gravitacional? Para responder a esta pergunta temos que retroceder uns noventa anos, a 1915. Neste ano, Albert Einstein formulou a Teoria da Relatividade General, que descreve as interações gravitacionais entre os corpos celestes e amplia, em grande medida, a Teoria da Gravitação de Newton. 

          Segundo a descrição einsteiniana, a matéria distorce o espaço em sua vizinhança e esta distorção provoca a atração gravitacional entre os corpos. Mas não só os corpos materiais sentem a influencia do campo gravitacional: o caminho de um feixe de luz também se desviará ao passar perto de um objeto massivo (ver Fig. 1).  Como comprovar as predições teóricas de Einstein? A idéia que circulou com bastante difusão na época consistia em observar o Sol durante um eclipse: a luz das estrelas próximas (angularmente) ao Sol seria desviada pelo campo gravitacional deste. Fotografando este campo de estrelas próximas ao Sol durante e depois do eclipse, ambas placas fotográficas revelariam (vale a redundância) as diferenças nas posições das estrelas próximas (angularmente) ao Sol. Um astrônomo inglês, Arthur Eddington, levou a cabo tal tarefa. Aproveitando que o dia 29 maio de 1919 teria lugar um eclipse total do Sol, Eddington organizou duas expedições para observá-lo: uma viajou a Ilha Príncipe - com Eddington ao mando - e a outra a Sobral (Brasil), sob a direção de Dyson. 

          A primeira expedição não teve muita sorte. A climatologia não ajudou e ainda que Eddington pensou que havia comprovado as predições, suas fotografias não tinham a qualidade suficiente. Por sorte, o tempo na região de Sobral foi propício e a equipe que viajou a este lugar do Brasil obteve umas sete fotografias de muito boa qualidade que, depois de uma exaustiva análise, puseram de manifesto a concordância entre a observação e a teoria de Einstein.

          Se bem todas as lentes gravitacionais se produzem pela força da gravidade dos corpos que se encontram na trajetória da luz, o resultado varia desde um aparente cambio de posição até uma deformação ou multiplicação da imagem fonte. A maioria das lentes encontradas tem sua origem nos quasares, ainda que uma galáxia, alinhada com um cúmulo de galáxias, também pode dar lugar à "espelhamentos" gravitacionais e proporcionar uma imagem deformada. Outra tipologia de fenômenos lente é a produzida por um corpo menor, como por exemplo, uma estrela (microlente). Sua força gravitacional provoca a divisão dos raios de luz em uma proporção muito menor que as galáxias, de modo que a separação resulta imperceptível e somente detectamos um aumento no brilho da imagem longínqua. Trata-se de um fenômeno difícil de detectar já que exige que a estrela-fonte, o objeto-lente e a Terra se encontrem alinhados de forma adequada. 

          Não obstante, existem já alguns casos documentados. Recentemente, um grupo de astrofísicos de nove países, incluindo Espanha (IAA), observou uma microlente que amplia a estrela-fonte mais de quatrocentas vezes. Cinco telescópios terrestres e o telescópio espacial Hubble (ver Figura 2) foram utilizados para seguir o evento. Entre outras tarefas, o Hubble se encarregou de definir com precisão o tipo espectral (temperatura e gravidade superficiais) da estrela-fonte, uma informação de muita importância já que determina quais serão os modelos de atmosferas estelares que se deve empregar. A curva de luz resultante da microlente MOA 2002-BLG-33 (o nome vem de uma ave extinta em Nova Zelândia) está representada na Figura 3.

          Este tipo de curva é chamada cáustica e a forma de “M” em sua parte central indica que a microlente é, na realidade, um sistema binário. A forma da curva de luz depende das características da microlente e de outros parâmetros que também intervêm em sua caracterização, mas que não estão diretamente conectados com a lente: a trajetória do raio do escurecimento do bordo (limb-darkening) da estrela-fonte, etc.

          O escurecimento do bordo é um fenômeno físico que pode ser observado inclusive em uma lâmpada comum: se a olhamos diretamente - não em excesso para não prejudicar a visão - notaremos que os bordos da lâmpada parecem ser mais escuros que sua parte central. Isto ocorre porque a luz que provem do interior da estrela recorre nos bordos um caminho diferente ao da direção central e, como conseqüência, se atenua. O mesmo ocorre com o Sol e com todas estrelas. Dito em outras palavras, o limb-darkening é uma medida de como a luz de uma estrela se distribui ao longo de seu disco. Esta distribuição não é uniforme: depende da quantidade de metais da estrela, da micro turbulência, de seu raio, de sua massa e de sua temperatura.  

          Como a luz da estrela-fonte foi amplificada quase quinhentas vezes, tivemos a possibilidade, sem precedentes, de estudar detalhadamente como a luz se distribui no disco desta estrela, de tipo solar, mas bastante mais evoluída. O resultado destes cálculos pode ser visto na Figura 3, onde a linha negra continua representa a curva de luz calculada e as barras em cores denotam os dados observacionais. O cálculo para reproduzir a curva de luz é um processo muito complexo e exige muitíssimo tempo em grandes computadores. É um exemplo típico de computação numérica relativista.

          Mas o grande resultado que nos proporcionou MOA-33 foi a oportunidade de determinar, pela primeira vez, a forma de uma estrela utilizando a técnica das microlentes. Normalmente, as estrelas estão tão distantes que mesmo em grandes telescópios as veríamos como pontos de luz, sem estrutura geométrica. O calculo teórico da curva de luz, além de revelar que a lente é um sistema binário, revelou também que a estrela-fonte está ligeiramente achatada nos pólos (em torno de 2 por cento). Dada a distancia que MOA-33 se encontra da Terra (aproximadamente 16000 anos-luz), tal precisão é realmente assombrosa. Tão importante como determinar o grau de distorção da estrela é o precedente que abre: agora teremos uma nova técnica para determinar a forma das estrelas, inclusive de estrelas que não formam parte dos sistemas binários.

          As microlentes têm outras aplicações na Astrofísica tais como:

 1- A detecção de planetas extrasolares. Pode-se fazer um paralelo entre a experiência de Rutherford, quem usou as partículas alfa para estudar a estrutura do núcleo atômico, com a detecção de planetas extrasolares em eventos de microlentes já que os fótons serviriam para estudar a estrutura planetária através das anomalias na curva de luz.  

2- Investigação da matéria escura através da busca do evento em anãs marrons. A duração do evento neste caso serve como uma restrição à matéria escura devido às anãs marrons.

 3- Barra galáctica. A distribuição observada de eventos de microlentes sugere uma estrutura em forma de barra para o bulbo galáctico.

  A equipe que determinou, pela primeira vez, a forma de uma estrela através das microlentes gravitacionais é formada por:

N.J. Rattenbury (UK), F. Abe (Japan), D.P. Bennett (USA), I.A. Bond (New Zealand), J.J. Calitz (South Africa), A. Claret (Spain), K.H. Cook (USA), Y. Furuta (Japan), A. Gal-Yam (USA), J-F. Glicenstein (France), J.B. Hearnshaw (New Zealand), P.H. Hauschildt (Germany), P.M. Kilmartin (New Zealand), Y. Kurata (Japan), K. Masuda (Japan), D. Maoz (Israel), Y. Matsubara (Japan), P.J. Meintjes (South Africa), M. Moniez (France), Y. Muraki (Japan), S. Noda (Japan), E.O. Ofek (Israel), K. Okajima (Japan), L. Philpott (New Zealand), S.H. Rhie (USA), T. Sako (Japan), D.J. Sullivan (New Zealand), T. Sumi (USA), D.M. Terndrup (USA), P.J. Tristram (New Zealand), J. Wood (New Zealand), T. Yanagisawa (Japan), P.C.M. Yock (New Zealand).

 

Figura 1. Ilustração de como a trajetória da luz (em azul) se desvia como conseqüência da presença de um objeto massivo.

 

Figura 2. A microlente MOA 2002-BLG-33.  Imagem obtida pelo Telescópio espacial Hubble (39 dias depois da máxima amplificação).

 

Figura 3. Curva de luz da microlente MOA 2002-BLG-33.    

Figura 4. Representação da microlente MOA 2002-BLG-33. Note-se que os bordos da estrela-fonte estão escurecidos segundo os modelos esféricos de atmosferas estelares. O mapa de amplificação da lente está representado em azul, sendo as regiões mais claras as de maior amplificação. A figura central em forma de diamante representa a cáustica.

 

* Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Instituto de Astrofísica de Andalucía (Granada, Espanha)

 

 


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