Há cem anos, Albert Einstein introduziu um novo modo radical de pensar sobre a força da gravidade. Sua teoria da relatividade geral postulou que o espaço não é uma arena vazia na qual os eventos do universo se desenrolam - mas um participante ativo nesses eventos.
De acordo com a relatividade geral, qualquer coisa que tenha massa - uma estrela, um planeta, uma lontra - distorce o espaço ao redor, fazendo com que ela se curve. A matéria curva o espaço, e essa curvatura diz a outro assunto como se mover. Nós humanos somos mal equipados para imaginar um espaço tridimensional curvo, então aqui está uma analogia bidimensional: se uma bola pesada é colocada sobre um trampolim, a superfície do trampolim se dobra. Se você, em seguida, enrolar as bolinhas sobre a superfície do trampolim, seus caminhos serão curvados. É uma analogia imperfeita, mas transmite a ideia geral. Este princípio é porque a Terra segue um caminho curvo ao redor do Sol e a Lua segue um caminho curvo ao redor da Terra.
Uma característica fundamental da relatividade geral é que a curvatura do espaço afeta o caminho da luz, bem como da matéria. Esse efeito é conhecido como “lente gravitacional”. Isso acaba sendo diferente do modo como a luz se comporta sob a gravidade newtoniana, portanto, um uso imediato de lentes gravitacionais é testar se a relatividade geral é real. Também é extremamente útil para estudar os cantos mais distantes do universo, pois faz com que as imagens de galáxias distantes sejam ampliadas.
Como funciona a lente gravitacional? Se a luz que viaja em nossa direção a partir de alguma estrela distante passa por outro objeto massivo - digamos, outra estrela ou galáxia - essa luz é desviada e seu caminho é alterado. Quando essa luz atinge a Terra, parece estar vindo de uma direção diferente da sua trajetória original. Nós vemos a estrela como estando em uma posição diferente no céu do que onde ela está realmente localizada. Este movimento aparente da estrela de fundo é exatamente o dobro do que você veria na gravidade newtoniana; portanto, fornece uma maneira simples de testar a teoria de Einstein.
Para medir o quanto a imagem de uma estrela se moveu, você tem que ser capaz de observá-la antes e depois de sua luz ser desviada pela massa interveniente. Normalmente, não temos a opção de nos afastarmos o suficiente da Terra para ver estrelas distantes de dois ângulos diferentes, mas podemos aproveitar o fato de estarmos nos movendo em torno do sol.
Se observarmos uma estrela na parte oposta do céu a partir do sol, vemos a sua posição "verdadeira". Seis meses depois, a estrela estará na mesma parte do céu que o sol, e então poderemos medir o quanto a luz da estrela é desviada pela massa do sol. Normalmente não podemos observar estrelas quando estão perto do sol porque é dia quando o sol está alto. Mas sob certas circunstâncias, podemos. Há uma hora em que o sol está alto, mas a luz do sol está bloqueada: um eclipse solar total.
Em maio de 1919, astrônomos conseguiram vislumbrar um eclipse solar que era visível de partes da África e da América do Sul. Para maximizar as chances de observar o eclipse com êxito, duas equipes foram enviadas para observá-lo: uma para o Brasil e outra, liderada por Sir Arthur Eddington, para a ilha do Príncipe, na costa da África Ocidental. Apesar da cobertura parcial de nuvens, a equipe de Eddington foi bem sucedida. A deflexão da luz que eles mediram das estrelas no aglomerado de Hyades correspondia perfeitamente à teoria de Einstein.
Durante o eclipse solar total em 29 de maio de 1919, Sir Arthur Eddington (à direita) confirmou a Teoria Geral da Relatividade de Einstein calculando a deflexão da luz das estrelas ao lado do sol. (AKG) Esta descoberta foi importante. "LUZES TODOS ASKEW NO HEAVENS. EINSTEIN TEORIAS TRIUNFAS", proclamou o New York Times. (Acrescentou: "Homens da Ciência Mais ou Menos Agog sobre Resultados de Observações do Eclipse.") A confirmação proporcionou um momento de unidade em um mundo dilacerado pela guerra; como observou o físico JP McEvoy em seu livro Eclipse de 1999, "uma nova teoria do universo, fruto da imaginação de um judeu alemão trabalhando em Berlim, foi confirmada por um quaker inglês em uma pequena ilha africana".
Foi somente em 1936 que um astrônomo suíço chamado Fritz Zwicky percebeu o potencial das lentes gravitacionais como uma ferramenta para estudar o universo além de nossa vizinhança estelar. Ao calcular as massas de aglomerados de galáxias - conhecidas na época como nebulosas extragalácticas -, Zwicky observou que havia uma boa chance de galáxias mais distantes localizadas atrás deles terem sua luz defletida ao passar por esses aglomerados. Em 1937, ele escreveu que esse efeito "nos permitiria ver nebulosas a distâncias maiores do que aquelas comumente alcançadas pelos maiores telescópios".
A chave para este conceito é uma característica das lentes gravitacionais que o torna incrivelmente útil: a luz que de outra forma seria direcionada para longe de nós é virada em nossa direção, o que significa que vemos mais luz de fontes de lente do que normalmente. Em outras palavras, galáxias distantes que estão por trás de objetos massivos são ampliadas. E como os aglomerados de galáxias são as estruturas mais massivas do universo, eles são as melhores lupas que a natureza tem a oferecer.
Por quase 50 anos, a sugestão de Zwicky recebeu pouca atenção. As galáxias com lentes em potencial eram, afinal de contas, muito fracas para serem vistas. Isso mudou nos anos 80, quando o desenvolvimento dos primeiros dispositivos de imagem digital substituiu as placas fotográficas e aumentou drasticamente a sensibilidade dos telescópios a fontes fracas.
Em 1986, um dramático arco estendido foi descoberto no aglomerado de galáxias Abell 370. O longo arco vermelho nesta imagem acabou sendo duas vezes mais distante que o próprio aglomerado: é uma galáxia de fundo - uma espiral muito parecida com a Via Láctea - cuja luz foi distorcida pela massa do aglomerado, estendendo-o nesse enorme arco. Uma década depois, outra galáxia com lente quebrou o recorde para o objeto mais distante conhecido, a primeira vez desde a década de 1960 que uma galáxia normal - não um quasar, os objetos mais brilhantes do universo - havia mantido esse registro.
Esta imagem do telescópio espacial Hubble de longa exposição do aglomerado de galáxias maciças Abell 2744 (em primeiro plano) é a mais profunda já feita de qualquer aglomerado de galáxias. (NASA / ESA) Em 2009, o lançamento do Telescópio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope, HST) proporcionou as imagens mais sensíveis já obtidas do universo distante, e sua missão final de manutenção acrescentou uma nova câmera extremamente sensível de infravermelho próximo. Atualmente em andamento com o Hubble está um novo programa que promete ampliar ainda mais os limites do nosso olhar para o universo: o programa Hubble Frontier Fields.
A idéia por trás desse programa é fazer observações incrivelmente profundas que revelem as galáxias mais frágeis e distantes - mas estrategicamente destinadas a aglomerados de galáxias, de modo a se beneficiar do efeito de ampliação das lentes gravitacionais. O programa cobrirá seis aglomerados maciços de galáxias no total, cinco dos quais foram concluídos até o momento. A cientista principal do projeto Frontier Fields, Jen Lotz, descreveu-a como "a visão mais profunda do universo já tomada".
"O Frontier Fields é um experimento", diz Matt Mountain, presidente da Associação de Universidades de Pesquisa em Astronomia (AURA) e ex-diretor do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial que opera o Hubble. A principal questão do experimento: "Podemos usar a excelente qualidade de imagem do Hubble e a teoria da relatividade geral de Einstein para procurar as primeiras galáxias?"
A análise preliminar do primeiro Frontier Fields já começou a produzir uma riqueza de insights sobre o universo inicial. Muito atrás do primeiro aglomerado, Abell 2744, encontramos imagens ampliadas de um grupo de galáxias no início do universo - apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang - que podem estar no processo de formar um grupo próprio.
Um estudo cuidadoso das imagens dos Frontier Fields revela galáxias ampliadas 50 vezes ou mais por lentes gravitacionais. Estas são algumas das galáxias mais fracas já vistas no universo primitivo. O menor deles se tornará algo como o anão Fornax, uma minúscula galáxia que orbita a Via Láctea e tem cerca de um milésimo de sua massa. Embora isso seja minúsculo pelos padrões das galáxias, estamos aprendendo com os Frontier Fields que havia um grande número de pequenas galáxias no início do universo. Tantos, na verdade, que juntos eles podem ter sido responsáveis pela maior parte da energia nos primeiros bilhões de anos do universo.
O limite de quão longe no passado podemos ver é definido pelas capacidades do Telescópio Espacial Hubble. As primeiras galáxias têm sua luz deslocada até o infravermelho pela expansão do espaço que o Hubble não consegue vê-las. Tudo isso mudará em 2018 quando o sucessor do Hubble, o Telescópio Espacial James Webb, for lançado em 2018. Com um espelho maior e câmeras mais sensíveis que podem ver mais adiante no infravermelho, o Webb nos permitirá perscrutar ainda mais o passado, e veja galáxias ainda mais fracas. Ao apontar Webb nos aglomerados de galáxias e usar as lentes gravitacionais a nosso favor, podemos aumentar ainda mais esses limites.
Em apenas alguns anos, poderemos estar olhando para as primeiras galáxias que já se formaram.
