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Al contemplar la belleza del cielo nocturno, no somos conscientes de que esos astros brillantes no se encuentran realmente en esas posiciones. Debido a un fenómeno físico relacionado con la propagación de la luz, lo que observamos son unas posiciones virtuales, desplazadas respecto a sus ubicaciones reales en el universo.
Esto es debido a que los rayos luminosos procedentes del objeto se curvan afectados por un campo gravitatorio intenso como, por ejemplo, el del Sol. La luz que nos llega de ellos no viaja en una trayectoria directa.
El efecto es mayor cuando los haces de luz se aproximan al cuerpo masivo. Pero incluso a grandes separaciones angulares entre el astro emisor (que puede ser una estrella) y el reflector (el Sol), estas desviaciones pueden llegar a ser muy significativas, especialmente cuando se investiga en astrometría de alta precisión.
Un conocimiento detallado de las posiciones iniciales de los astros permite describir con mayor precisión sus órbitas alrededor del Sol, algo realmente relevante cuando se trata de cuerpos menores, como asteroides, e incluso de exoplanetas en su movimiento alrededor de estrellas lejanas.
Combinando la óptica y la relatividad general
Desde la época de Newton ya se conocía este fenómeno de la desviación de la luz al atravesar un campo gravitatorio. Pensando en la luz como pequeños proyectiles, el científico alemán Johan Georg von Soldner obtuvo un primer resultado para el ángulo de desviación de luz estelar rozando el disco solar. Y obtuvo unos sorprendentes 0.87 segundos de arco (es decir, un ángulo 372 414 veces menor que un ángulo recto).
No fue hasta el desarrollo de la teoría de la relatividad general de Einstein cuando este valor se duplicó hasta los mundialmente famosos 1.75’‘. Este resultado fue confirmado experimentalmente por el astrónomo británico Arthur Eddington durante sus célebres expediciones del eclipse solar del 29 de mayo de 1919. Aquel famoso eclipse dio la razón a Einstein y le catapultó a la fama mundial.
Estudiar el espejismo
Eddington afirmó que el cálculo también podría efectuarse (con un alto grado de precisión) de una forma alternativa, a partir de consideraciones de óptica geométrica.
De esta forma, el efecto de la curvatura de los rayos de luz se podría explicar en base al conocido fenómeno de los espejismos, causados por la curvatura de los rayos de luz (refracción) en capas de aire de densidad variable.
En un reciente estudio publicado en la revista de astrofísica británica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, proponemos un nuevo resultado teórico que mejoraría (en relación a estudios previos) la precisión en el posicionamiento de objetos en el universo, tales como asteroides menores o galaxias lejanas.
En nuestro trabajo abordamos el cálculo del ángulo de desviación de la luz a partir de este método (denominado Material Medium Approach o MMA, por sus siglas en inglés) y que tiene sus orígenes en la década de los años 20 del siglo pasado.
El método PPN para facilitar las ecuaciones de Einstein
El cálculo exacto de este ángulo no es una tarea fácil, ya que conlleva la resolución de complejas ecuaciones diferenciales en el marco de la relatividad general einsteniana.
Se suele recurrir a soluciones analíticas aproximadas basadas en el denominado método post-newtoniano (PPN), el cual expresa las complicadas ecuaciones de Einstein en términos de desviaciones de la ley de gravitación universal de Newton hasta distintos órdenes.
Esta aproximación PPN es ampliamente utilizada en astronomía para corregir las posiciones de astros lejanos. Es lo que hace, por ejemplo, el observatorio GAIA de la Agencia Espacial Europea para ofrecer un mapa detalladísimo de las estrellas de la Vía Láctea.
Nuestro método de cálculo MMA reproduce de forma exacta el ángulo de desviación de la luz para un campo gravitatorio como el del Sol. Y encontramos diferencias.
Aunque pudieran parecer pequeñas discrepancias, podrían ser muy significativas en el posicionamiento de objetos menores en el sistema solar.
Pero todo ello dependerá de cual sea el tamaño angular del astro al que apuntemos.
Una mejor descripción de las órbitas de cuerpos menores
Una de las potenciales aplicaciones de este nuevo avance sería una mejor determinación de las órbitas de cuerpos menores alrededor del Sol, tales como asteroides. Una mayor precisión en su posicionamiento inicial conllevará una mejor predicción de su órbita.
Hemos tomado dos ejemplos: los asteroides Apofis y Dimorphos. En ambos casos, las posiciones virtuales registradas por un telescopio (en color naranja) están desplazadas respecto a las posiciones reales, calculadas mediante la aproximación PPN en primer orden (color rojo) y nuestra ecuación exacta MMA (en azul).
En el caso del asteroide Apofis, de mayor tamaño angular, esta discrepancia en su posicionamiento no parecería tan relevante, aunque tendría que tenerse en cuenta en futuros cálculos.
Sin embargo, para Dimorphos sí se obtendría una importante deslocalización, con posibles implicaciones en el cálculo adecuado de su órbita.
Próxima Centauri y su exoplaneta
Alejándonos del Sistema Solar, nuestro resultado teórico también sería aplicable al posicionamiento preciso de la estrella más cercana al Sol, Próxima Centauri, y el exoplaneta que lo orbita, Próxima Centauri b.
Según nuestros cálculos, el error cometido sería similar al tamaño angular de dicha estrella, por lo que entonces sería necesaria una corrección a la hora de realizar un estudio pormenorizado de la órbita de Próxima Centauri b.
Un mapa más preciso de la distribución de galaxias lejanas
Nuestro resultado teórico también podría ayudar a la localización más exacta de galaxias distantes distorsionadas y magnificadas por grandes cantidades de masa intermedia, como los cúmulos de galaxias, mediante el denominado fenómeno de lente gravitatoria débil.
De esta forma se podrían generar mapas más precisos de la distribución de masa en los cúmulos galácticos, particularmente importante en la era del telescopio espacial Euclid en la que estamos inmersos.
El espejismo que vemos en el cielo cobra realmente importancia cuando necesitamos un cálculo preciso del objeto celeste. Cada vez afinamos más.
Óscar del Barco Novillo no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.