La deflessione gravitazionale della luce

Come abbiamo già visto, una delle conseguenze del principio di relatività generale, secondo il quale le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento, è il fatto che non è più valido l’assioma sulla costanza della luce; infatti, se osserviamo un raggio di luce emesso da un sistema di riferimento accelerato, e quindi non inerziale, notiamo che il raggio non si propaga in linea retta, ma subisce una deviazione.

Secondo il principio di equivalenza, inoltre, sappiamo che gli stessi effetti prodotti dalle forze presenti in un campo gravitazionale possono essere riscontrati in un sistema accelerato; viene, quindi, spontaneo chiedersi se anche in un campo gravitazionale possa essere presente il fenomeno della deviazione della luce.

La deflessione della luce

La deflessione della luce è un fenomeno particolarmente difficile da osservare, e presenta effetti maggiori nel caso di un campo gravitazionale particolarmente intenso; nel nostro caso, gli effetti della deviazione dei raggi luminosi sono studiati in presenza del campo gravitazionale generato dal Sole.

In presenza di una grande massa, infatti, i raggi di luce proveniente dalle stelle possono subire delle deflessioni rispetto ai raggi che si propagano in linea retta; di conseguenza, se dalla Terra si osserva una stella la cui luce è stata deflessa dalla presenza del Sole, tale stella apparirà in una posizione leggermente diversa rispetto a quella reale.

deflessione della luce: posizione apparente di una stella

Fenomeno delle lenti gravitazionali

Uno degli effetti più rilevanti della deflessione della luce è il fenomeno delle lenti gravitazionali. Tale fenomeno si manifesta quando tra una sorgente luminosa, ad esempio un quasar (cioè una galassia lontanissima dalla Terra, dalla quale proviene un’intensa emissione radio), e la Terra si interpone una galassia.

La galassia che si trova sulla congiungente Terra-quasar funge come da lente per i raggi che vengono emessi dal quasar, che quindi risultano leggermente deviati. La deviazione di tali radiazioni fa si che dalla Terra non si osservi semplicemente un oggetto, ma risultano visibili due immagini dell’oggetto che si trovano in punti speculari rispetto alla posizione originale.

Lente gravitazionale

La presenza di un forte campo gravitazionale, inoltre, è responsabile anche di altri fenomeni; abbiamo visto in precedenza che, per l’effetto doppler relativistico, le onde emesse da una sorgente luminosa vengono percepite da un’osservatore sulla Terra con una frequenza minore di quella con cui vengono emesse.

Si parla quindi di redshift gravitazionale, o spostamento verso il rosso, in quanto le lunghezze d’onda delle onde emesse risultano spostate nello spettro verso l’estremo di colore rosso.

Il campo gravitazionale e il tempo

Se considerassimo un’onda elettromagnetica come un orologio, potremmo dire che, a causa del campo gravitazionale, il tempo rilevato da un osservatore sulla Terra è differente da quello misurato dall’orologio.

In particolare, si può affermare che gli orologi che si trovano in presenza di un campo gravitazionale maggiore risultano procedere più lentamente rispetto a quelli che si trovano in zone dello spazio-tempo in cui la curvatura è meno accentuata (in queste zone il campo gravitazionale è minore).

Possiamo descrivere questo fenomeno anche affermando che per orologi che si trovano vicini a corpi particolarmente massivi il tempo scorre più lentamente rispetto ad orologi che invece ne sono lontani. Il fenomeno prende il nome di dilatazione gravitazionale dei tempi.

E’ proprio su questi fenomeni che si basa una delle verifiche moderne della teoria della relatività generale; tale verifica consiste nel calcolare il tempo di percorrenza del viaggio di andata e ritorno di un fotone, passando da un pianeta ad un altro, quando la sua traiettoria passa in prossimità del Sole (quando i due pianeti in questione sono eclissati dal Sole).

A causa della curvatura del percorso del fotone, e della dilatazione gravitazionale dei tempi, si misura un tempo di percorrenza differente rispetto a un cammino rettilineo della particella.