Simulação interativa de lente gravitacional: arraste um objeto massivo para curvar o espaço-tempo e observar anéis de Einstein, imagens múltiplas e distorções em arco
A Teoria Geral da Relatividade de Einstein prevê que objetos massivos curvam o espaço-tempo ao seu redor. Quando a luz de uma fonte distante passa perto de um objeto massivo em primeiro plano (a lente), sua trajetória é desviada pela curvatura. O ângulo de deflexão para um raio de luz passando a um parâmetro de impacto ξ de uma massa pontual M é α = 4GM/(c²ξ), exatamente o dobro da previsão newtoniana — confirmado pela expedição de Eddington ao eclipse solar de 1919. Essa deflexão produz três efeitos observáveis principais: (1) Imagens múltiplas — a fonte pode aparecer em múltiplas posições ao redor da lente. (2) Magnificação — as imagens são brilhadas ou escurecidas pela focalização/desfocalização dos raios de luz. (3) Distorção — as imagens são esticadas tangencialmente em arcos. O raio de Einstein θ_E = √(4GM D_LS / (c² D_L D_S)) define a escala angular da lente, onde D_L, D_S, D_LS são as distâncias de diâmetro angular até a lente, até a fonte e da lente até a fonte.
Quando a fonte, a lente e o observador estão perfeitamente alinhados, a fonte aparece como um anel completo — o anel de Einstein — com raio angular θ_E. Para uma lente galáctica típica em z_L ~ 0,5 e fonte em z_S ~ 2, θ_E ~ 1 arcosegundo. Quando o alinhamento é ligeiramente imperfeito, o anel se divide em dois arcos em lados opostos. Para uma fonte próxima de uma cáustica de dobra, quatro imagens podem se formar em um padrão de cruz — a Cruz de Einstein (Q2237+0305, descoberta em 1985). A configuração das imagens depende da posição da fonte em relação às cáusticas da lente: dentro da cáustica tangencial produz 4 imagens (ou um anel), fora produz 2 imagens (ou 1 se estiver longe da lente). A magnificação diverge nas cáusticas (matematicamente infinita para uma fonte pontual; na realidade, o tamanho finito da fonte e a distribuição de massa estendida a limitam).
Mapeamento de matéria escura: a lente gravitacional desvia a luz independentemente de a lente ser visível ou escura, tornando-a a sonda mais direta da distribuição de matéria escura. Levantamentos de lente fraca (DES, KiDS, Euclid) medem pequenas distorções coerentes em milhões de galáxias para mapear a estrutura em larga escala. A lente forte por aglomerados de galáxias produz arcos dramáticos e imagens múltiplas, revelando os perfis de massa dos aglomerados. Detecção de exoplanetas: a microlente ocorre quando uma estrela em primeiro plano passa na frente de uma estrela de fundo, magnificando-a temporariamente. Se a estrela em primeiro plano tiver um planeta, a curva de luz mostra um pequeno bump extra — mais de 200 exoplanetas foram descobertos desta forma. Cosmologia: os atrasos temporais entre imagens múltiplas (por exemplo, projeto H0LiCOW) medem a constante de Hubble H₀ de forma independente. Evolução galáctica: a magnificação por lente atua como um telescópio natural, permitindo observações de galáxias de outro modo demasiado fracas no universo primitivo (por exemplo, o JWST aproveitando lentes de aglomerados). Testes da gravidade: comparar a massa da lente com a massa de raios X/dinâmica testa a Relatividade Geral em escalas galácticas.
A tela mostra uma grade de fundo distante (representando um plano fonte) distorcida pela lente gravitacional no centro. Arraste a massa de lente amarela para movê-la e observe a distorção acompanhá-la. Ajuste o controle deslizante de Massa da Lente para alterar o raio de Einstein — uma massa maior produz uma curvatura mais forte e um anel maior. O controle deslizante de Distância da Fonte ajusta a distância do plano fonte, afetando o raio de Einstein (fontes mais próximas são menos lentiadas). Comece com a predefinição Alinhamento Perfeito: a lente fica diretamente sobre a fonte, produzindo um anel de Einstein completo. Experimente Ligeiro Deslocamento para ver o anel se partir em dois arcos. Arco Gigante mostra uma lente muito massiva com a fonte perto da cáustica. Cruz de Einstein demonstra a formação de quatro imagens. Alterne Grade de Fundo para ver a deformação do plano fonte, Galáxia Fonte para mostrar uma fonte circular distorcendo-se em arcos, Raios de Luz para traçar as trajetórias dos fótons da fonte ao observador, e Anel de Einstein para sobrepor o raio teórico do anel.