Soczewka grawitacyjna z pierścieniem Einsteina: SDSS J163028.15 + 452036.2. Źródło zdjęcia: Hubble. Kliknij, aby powiększyć
Kiedy Albert Einstein rozwinął swoją teorię ogólnej teorii względności prawie sto lat temu, zaproponował, aby pole grawitacyjne z masywnych obiektów mogło dramatycznie wypaczyć przestrzeń i odbić światło.
Złudzenie optyczne wytworzone przez ten efekt nazywa się soczewkowaniem grawitacyjnym. Jest to naturalny ekwiwalent posiadania gigantycznej soczewki powiększającej w przestrzeni, która zniekształca i wzmacnia światło odległych obiektów. Einstein opisał soczewkowanie grawitacyjne w artykule opublikowanym w 1936 roku. Uważał jednak, że efekt jest nie do zaobserwowania, ponieważ zniekształcenia optyczne wytwarzane przez wypaczające się gwiazdy na pierwszym planie byłyby zbyt małe, aby mogły je kiedykolwiek zmierzyć największe teleskopy swoich czasów.
Teraz, prawie sto lat później, astronomowie połączyli dwa potężne zasoby astronomiczne, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) i NASA Kosmiczny Teleskop Hubble, aby zidentyfikować 19 nowych galaktyk „soczewkowanych grawitacyjnie”, znacznie zwiększając liczbę około 100 znanych wcześniej soczewek grawitacyjnych. Wśród tych 19 odkryli osiem nowych tak zwanych „pierścieni Einsteina”, które są prawdopodobnie najbardziej eleganckim przejawem zjawiska soczewkowania. Tylko trzy takie pierścienie były wcześniej widoczne w świetle widzialnym.
W soczewkowaniu grawitacyjnym światło z odległych galaktyk może być odchylane w drodze na Ziemię za pomocą pola grawitacyjnego dowolnego masywnego obiektu, który stoi na drodze. Z tego powodu widzimy galaktykę zniekształconą w łuk lub wiele oddzielnych obrazów. Kiedy obie galaktyki są dokładnie ustawione w linii, światło tworzy wzór tarczy, zwany pierścieniem Einsteina, wokół galaktyki na pierwszym planie.
Nowo odkryte soczewki pochodzą z trwającego projektu Sloan Lens ACS Survey (SLACS). Zespół astronomów, kierowany przez Adama Boltona z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, Massachusetts, i Leona Koopmansa z Kapteyn Astronomical Institute w Holandii, wybrał kandydujące soczewki spośród kilkuset tysięcy spektrów optycznych galaktyk eliptycznych w ankieta Sloan Digital Sky Survey. Następnie wykorzystali bystre oczy zaawansowanej kamery Hubble'a do badań, aby potwierdzić.
„Ogromna skala SDSS, wraz z jakością obrazowania teleskopu Hubble'a, otworzyły tę niespotykaną okazję do odkrycia nowych soczewek grawitacyjnych” - wyjaśnił Bolton. „Udało nam się zidentyfikować jedną z każdych 1000 galaktyk, które wykazują oznaki soczewkowania grawitacyjnego innej galaktyki”.
Zespół SLACS zeskanował widma około 200 000 galaktyk w odległości 2–4 miliardów lat świetlnych. Zespół szukał wyraźnych dowodów emisji z galaktyk dwa razy dalej od Ziemi i bezpośrednio za bliższymi galaktykami. Następnie wykorzystali zaawansowaną kamerę do badań ankietowych Hubble'a, aby zrobić zdjęcia 28 takich kandydujących galaktyk soczewkowych. Badając łuki i pierścienie wytwarzane przez 19 z tych kandydatów, astronomowie mogą precyzyjnie zmierzyć masę galaktyk na pierwszym planie.
Oprócz wytwarzania dziwnych kształtów, soczewkowanie grawitacyjne daje astronomom najbardziej bezpośrednią sondę rozkładu ciemnej materii w galaktykach eliptycznych. Ciemna materia jest niewidzialną i egzotyczną formą materii, której nie obserwowano jeszcze bezpośrednio. Astronomowie wywnioskowali jego istnienie, mierząc jego wpływ grawitacyjny. Ciemna materia jest wszechobecna w galaktykach i stanowi większość całkowitej masy wszechświata. Poszukując ciemnej materii w galaktykach, astronomowie mają nadzieję na wgląd w formowanie się galaktyk, które musiały zacząć się wokół skupisk ciemnej materii we wczesnym wszechświecie.
„Nasze wyniki wskazują, że średnio te„ eliptyczne galaktyki soczewkowe ”mają tę samą specjalną strukturę gęstości masy, co obserwowane w galaktykach spiralnych” - kontynuował Bolton. „Odpowiada to wzrostowi udziału ciemnej materii w stosunku do gwiazd w miarę oddalania się od centrum galaktyki soczewkowej na jej słabsze obrzeża. A ponieważ te żelakty soczewkowe są stosunkowo jasne, możemy zestalić ten wynik dalszymi naziemnymi obserwacjami spektroskopowymi ruchów gwiazd w soczewkach. ”
„Możliwość badania tych i innych soczewek grawitacyjnych już w czasie sprzed kilku miliardów lat pozwala nam bezpośrednio zobaczyć, czy rozkład ciemnej [niewidocznej] i widocznej masy zmienia się wraz z czasem kosmicznym” - dodaje dr Koopmans. „Dzięki tym informacjom możemy przetestować powszechnie przyjęty pogląd, że galaktyki powstają w wyniku zderzeń i fuzji mniejszych galaktyk”.
Sloan Digital Sky Survey, z którego wybrano próbkę kandydującą do SLACS, rozpoczęto w 1998 r. Od specjalnie zbudowanego naziemnego teleskopu do pomiaru kolorów i jasności ponad 100 milionów obiektów na jednej czwartej nieba i mapy odległości do miliona galaktyk i kwazarów. „Ten rodzaj badania soczewek grawitacyjnych nie był pierwotnym celem SDSS, ale był możliwy dzięki doskonałej jakości danych SDSS”, powiedział Scott Burles z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, Massachusetts, członek zespołu SLACS i jeden z twórców SDSS.
„Dodatkową korzyścią wynikającą z dużego rozmiaru bazy danych SDSS jest to, że możemy zaprojektować nasze kryteria wyszukiwania, aby znaleźć soczewki najbardziej odpowiednie do określonych celów naukowych”, powiedział członek zespołu SLACS, Tommaso Treu z University of California, Santa Barbara . „Podczas gdy do tej pory wybieraliśmy największe galaktyki jako nasze cele, w kolejnych etapach ankiety celujemy w mniejsze galaktyki soczewkowe. Istnieją sugestie, że struktura galaktyk zmienia się wraz z rozmiarem galaktyki. Identyfikując te rzadkie obiekty „na żądanie”, wkrótce będziemy mogli po raz pierwszy sprawdzić, czy to prawda ”.
Dodano członka zespołu SLACS, Leonidasa Moustakasa z NASA Jet Propulsion Laboratory i California Institute of Technology w Pasadenie, Kalifornia: „Te pierścienie Einsteina dają również niezrównany powiększony obraz soczewkowanych galaktyk, umożliwiając nam badanie gwiazd i historii formacji te odległe galaktyki. ”
Badanie SLACS jest kontynuowane i do tej pory zespół wykorzystał Hubble'a do zbadania prawie 50 swoich kandydujących galaktyk soczewkowych. Oczekuje się, że ostateczna suma wyniesie ponad 100, a wśród nich znacznie więcej nowych obiektywów. Wstępne wyniki ankiety pojawią się w numerze Astrophysical Journal z lutego 2006 r. Oraz w dwóch innych artykułach przesłanych do tego czasopisma.
Oryginalne źródło: Hubblesite News Release
