Il Lensing Gravitazionale

Cosa possono avere in comune i grandi archi luminosi al centro di ammassi di galassie, le immagini di quasar che sembrano provenire da diverse direzioni nel cielo o stelle che presentano strane variazioni nella curva di luce?Apparentemente nulla, ma in realtà tutti questi fenomeni sono invece prodotti da uno stesso effetto di natura relativistica che prende il nome di lensing gravitazionale.
L'effetto è dovuto al fatto che i fotoni emessi da una sorgente luminosa, quando passano nelle vicinanze di un corpo celeste dotato di massa, subiscono l'effetto attrattivo della sua gravità. Classicamente è un tipo di interazione difficile da descrivere, infatti i fotoni hanno una massa nulla e non dovrebbero assolutamente interagire gravitazionalmente, mantenendoperciò la direzione originale. I fenomeni di lensing sono invece completamente spiegati facendo ricorso alla teoria della relatività generale.
Per comprendere qualitativamente la natura di questi eventi occorre partire da alcune considerazioni di natura cosmologica. Se si guarda da lontano una grande regione dell'universo, essa ci appare in buona approssimazione omogenea e isotropa, proprietà assunte nel principio cosmologico che sta alla base del modello con cui i cosmologi descrivono lo spazio-tempo. Con questo modello è possibile ad esempio, calcolare la distanza percorsa da un fotone dall'istante della sua emissione da parte di una sorgente luminosa all'istante in cui un osservatore lo riceve. Inoltre è possibile prevedere la traiettoria del fotone nello spazio-tempo e ovviamente il risultato sarà esatto fintantochè vale l'assunzione di partenza, cioè la condizione di omogeneità e isotropia dell'universo. Consideriamo invece quanto accade in prossimità di un corpo dotato di massa. Come è ben noto, attorno ad esso si sviluppa un campo gravitazionale la cui intensità diminuisce man mano che la distanza aumenta. E' evidente allora che su scala locale, fin dove l'azione del campo non diventa trascurabile, l'universo non si può certamente definire omogeneo e isotropo.Esso è infatti perturbato dal corpo massivo e per questo motivo lo spazio-tempo è localmente modificato.Questa perturbazione si traduce pertanto in un cambiamento del percorso della luce rispetto alla sua traiettoria originale e talvolta in cambiamenti sostanziali della forma e della luminosità delle sorgenti astronomiche. Il cammino dei raggi luminosi emessi da una sorgente lontana cambia a causa della deformazione dello spazio-tempo, cosicchè sull'osservatore vengono localizzati raggi che, in assenza della massa, non sarebbe stato possibile ricevere.L'effetto prodotto dalla presenza di un corpo celeste è quindi paragonabile sostanzialmente alla rifrazione daparte di una comune lente ottica: così come la luce si propaga attraverso quest'ultima con una velocità diversa da quella che ha nel vuoto, allo stesso modo in presenza di un campo gravitazionale la luce si propaga più lentamente, come se i fotoni fossero attratti dalla massa che produce il campo gravitazionale. Questo paragone spiega oltretutto anche il nome dato al fenomeno del lensing.