Mitä on gravitaatiolensointi?

Kun painovoima viedään äärimmäisyyksiin, se voi luoda kiehtovia visuaalisia efektejä, joiden havainnointiin Hubble soveltuu hyvin. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvaa, miten massakeskittymät vääristävät ympäröivää avaruutta. Gravitaatiolinssi voi syntyä, kun valtava määrä ainetta, kuten galaksijoukko, luo gravitaatiokentän, joka vääristää ja suurentaa sen takana, mutta samalla näköyhteydellä olevien kaukaisten galaksien valoa. Vaikutus on kuin katsoisi jättimäisen suurennuslasin läpi. Sen avulla tutkijat voivat tutkia varhaisten galaksien yksityiskohtia, jotka ovat liian kaukana, jotta niitä voitaisiin nähdä nykyisellä tekniikalla ja nykyisillä teleskoopeilla.

Galaksiryhmä Abell 370, joka sijaitsee noin neljän miljardin valovuoden päässä, sisältää hämmästyttävän valikoiman useita satoja galakseja, jotka on sidottu toisiinsa keskinäisen painovoiman vetovoiman avulla. Galaksien sekaan on kietoutunut salaperäisen näköisiä sinisen valon kaaria. Ne ovat itse asiassa vääristyneitä kuvia rykelmän takana olevista kaukaisista galakseista. Nämä kaukana sijaitsevat galaksit ovat liian heikkoja, jotta Hubble voisi nähdä ne suoraan. Sen sijaan tähtijoukon painovoima toimii avaruudessa valtavana linssinä, joka suurentaa ja venyttää taustagalaksien kuvia kuin huvipuistopeili. Lähes sadalla kaukaisella galaksilla on linssi-ilmiön aiheuttamia moninkertaisia kuvia. Hämmästyttävin esimerkki on ”Lohikäärme”, joka on todennäköisesti useita päällekkäisiä kuvia yhdestä taustan spiraaligalaksista, joka on venytetty kaarta pitkin. Tähtitieteilijät valitsivat Abell 370:n Hubblen kohteeksi, koska sen gravitaatiolinssi-ilmiötä voidaan käyttää alkuvaiheen maailmankaikkeudessa asuneiden kaukana sijaitsevien galaksien tutkimiseen. Credit: NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team (STScI) NEWS RELEASE: 2017-20 >

Pienemmät kohteet, kuten yksittäiset tähdet, voivat myös toimia gravitaatiolinsseinä kulkiessaan kaukaisempien tähtien edessä. Muutaman päivän tai viikon ajan kaukaisemman tähden valo näyttää tilapäisesti kirkkaammalta, koska lähempänä olevan kohteen painovoima suurentaa sitä. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä gravitaatiomikrolisenssi.

Yksinkertaisin gravitaatiolinssi-ilmiö syntyy, kun keskipisteessä, kuten galaksin tiheässä ytimessä, on yksi ainoa ainekeskittymä. Kaukaisen galaksin valo ohjautuu tämän ytimen ympärille, mikä usein tuottaa useita kuvia taustagalaksista. Kun linssi-ilmiö lähestyy täydellistä symmetriaa, syntyy täydellinen tai lähes täydellinen valoympyrä, jota kutsutaan Einsteinin renkaaksi. Hubble-havaintojen ansiosta tähtitieteilijöiden tuntemien Einsteinin renkaiden määrä on kasvanut huomattavasti.

Monimutkaisempi gravitaatiolinssi syntyy massiivisten galaksijoukkojen havainnoissa. Vaikka galaksijoukon ainejakaumalla on yleensä keskipiste, se ei ole koskaan ympyräsymmetrinen ja voi olla huomattavan kokkareinen. Taustagalaksit linssiytyvät tähtijoukkoon, ja niiden kuvat näkyvät usein lyhyinä, ohuina ”linssikaarina” tähtijoukon laitamilla.

Nämä linssikuvat toimivat myös luotaintena galaksijoukon aineen jakautumisesta. Tulokset osoittavat, että suurin osa galaksijoukon aineesta ei ole näkyvissä galakseissa tai niiden ympärillä olevassa kuumassa kaasussa eikä säteile valoa, ja sitä kutsutaan siksi pimeäksi aineeksi. Linssikuvien jakauma kuvastaa kaiken aineen, sekä näkyvän että pimeän, jakaumaa. Hubblen gravitaatiolinssejä kuvaavia kuvia on käytetty luomaan karttoja galaksijoukkojen pimeästä aineesta.

Kartta galaksijoukon sisältämästä aineesta auttaa puolestaan ymmärtämään ja analysoimaan paremmin gravitaatiolinssejä kuvaavia kuvia. Ainejakauman malli voi auttaa tunnistamaan useita kuvia samasta galaksista tai ennustamaan, missä kaukaisimmat galaksit todennäköisesti näkyvät galaksijoukon kuvassa. Tähtitieteilijät työskentelevät gravitaatiolinssien ja galaksijoukon ainejakauman välillä parantaakseen ymmärrystämme molemmista.

Koska hyvin kaukaiset galaksit ovat hyvin heikkoja, gravitaatiolinssit laajentavat Hubblen näkymää syvemmälle maailmankaikkeuteen. Gravitaatiolinssi ei ainoastaan vääristä taustagalaksin kuvaa, vaan se voi myös voimistaa sen valoa. Kun Hubble katsoo linssejä muodostavan galaksijoukon läpi, se voi nähdä himmeämpiä ja kaukaisempia galakseja kuin muuten olisi mahdollista. Se on kuin ylimääräinen linssi, joka on galaksijoukon kokoinen. Frontier Fields -hankkeessa on tutkittu useita galaksijoukkoja, mitattu niiden linssi- ja ainejakaumaa ja tunnistettu kokoelma näitä kaukaisimpia galakseja.

Monipuoliset linssikuvat risteistä, renkaista, kaarista ja muista ovat sekä kiehtovia että informatiivisia. Gravitaatiolinssi luotaa aineen jakautumista galakseissa ja galaksijoukoissa ja mahdollistaa havainnot kaukaisesta maailmankaikkeudesta. Hubblen tiedot toimivat myös pohjana ja ohjenuorana James Webb -avaruusteleskoopille, jonka infrapunahavainnot puskevat vielä kauemmas kosmokseen.

Vasemmalla on Hubble-avaruusteleskoopin kuva galaksijoukosta Cl 0024+17. Oikealla on sama kuva päällekkäin tähtijoukon massajakaumaa kuvaavan kartan kanssa. Kartassa näkyvä rengasmainen rakenne on yksi tähän mennessä vahvimmista todisteista pimeän aineen olemassaolosta. Luotto: NASA, ESA, M. J. Jee ja H. Ford (Johns Hopkinsin yliopisto) LEHDISTÖTIEDOTE: 2007-17 >
Valovoimaisen punaisen galaksin (LRG) painovoima on vääristänyt paljon kauempana sijaitsevan sinisen galaksin valoa. Tyypillisemmin tällainen valon vääristyminen johtaa kahteen erottuvaan kuvaan kaukaisesta galaksista, mutta tässä tapauksessa linssin kohdistus on niin tarkka, että taustagalaksi vääristyy hevosenkengäksi – lähes täydelliseksi renkaaksi. Luotto: ESA/Hubble & NASA

NASA

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.