Wat is gravitationele lenzen?
Als de zwaartekracht tot het uiterste wordt opgevoerd, kunnen er intrigerende visuele effecten ontstaan die goed kunnen worden waargenomen met de Hubble-telescoop. Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft hoe massaconcentraties de ruimte om hen heen vervormen. Een gravitatielens kan ontstaan wanneer een enorme hoeveelheid materie, zoals een cluster van melkwegstelsels, een gravitatieveld creëert dat het licht van verre melkwegstelsels die zich erachter bevinden maar in dezelfde gezichtslijn liggen, vervormt en vergroot. Het effect is alsof je door een reusachtig vergrootglas kijkt. Het stelt onderzoekers in staat om de details te bestuderen van vroege sterrenstelsels die te ver weg staan om met de huidige technologie en telescopen te kunnen worden gezien.
Kleinere objecten, zoals individuele sterren, kunnen ook fungeren als zwaartekrachtlenzen wanneer ze voor verder weg gelegen sterren passeren. Gedurende enkele dagen of weken lijkt het licht van de verder weg gelegen ster tijdelijk helderder omdat het wordt vergroot door de zwaartekracht van het dichterbij gelegen object. Dit effect staat bekend als gravitationele microlensing.
De eenvoudigste vorm van gravitationele lensing treedt op wanneer er een enkele concentratie van materie in het centrum is, zoals de dichte kern van een melkwegstelsel. Het licht van een ver melkwegstelsel wordt om deze kern heen geleid, waardoor vaak meervoudige beelden van het achtergrondstelsel ontstaan. Wanneer de lensing de perfecte symmetrie benadert, ontstaat een volledige of bijna volledige cirkel van licht, die een Einstein-ring wordt genoemd. Dankzij Hubble-waarnemingen is het aantal Einstein-ringen dat bij de astronomen bekend is, sterk toegenomen.
Een meer complexe gravitatielens ontstaat in waarnemingen van massieve clusters van melkwegstelsels. Hoewel de verdeling van materie in een cluster van melkwegstelsels over het algemeen wel een centrum heeft, is deze nooit cirkelvormig symmetrisch en kan deze behoorlijk hobbelig zijn. Achtergrondstelsels worden door de cluster gelensd en hun beelden verschijnen vaak als korte, dunne “gelensde bogen” rond de buitenranden van de cluster.
Deze lensbeelden fungeren ook als sondes voor de materieverdeling in de cluster van melkwegstelsels. De resultaten wijzen erop dat het grootste deel van de materie in een cluster van melkwegstelsels zich niet in de zichtbare melkwegstelsels of het hete gas eromheen bevindt en geen licht uitstraalt, en dus donkere materie wordt genoemd. De verdeling van gelensde beelden weerspiegelt de verdeling van alle materie, zowel zichtbare als donkere. De Hubble-beelden van gravitatielens zijn gebruikt om kaarten te maken van donkere materie in melkwegclusters.
Op zijn beurt helpt een kaart van de materie in een melkwegcluster bij het beter begrijpen en analyseren van de gravitatielensbeelden. Een model van de verdeling van de materie kan helpen bij het identificeren van meerdere beelden van hetzelfde sterrenstelsel of voorspellen waar de verste sterrenstelsels waarschijnlijk in een beeld van een sterrenstelselcluster zullen verschijnen. Astronomen werken tussen de gravitatielenzen en de cluster-materieverdeling om ons begrip van beide te verbeteren.
Omdat zeer verre sterrenstelsels zeer vaag zijn, vergroten gravitatielenzen Hubble’s blik dieper het heelal in. Zwaartekrachtlenzen vervormen niet alleen het beeld van een achtergrondstelsel, maar kunnen ook het licht ervan versterken. Kijkend door een lenzenstelselcluster kan de Hubble zwakkere en verder weg gelegen sterrenstelsels zien dan anders mogelijk zou zijn. Het is alsof hij een extra lens heeft die even groot is als de cluster van de melkwegstelsels. Het Frontier Fields-project heeft meerdere clusters van melkwegstelsels onderzocht, hun lensing en materieverdeling gemeten en een verzameling van deze verste melkwegstelsels geïdentificeerd.
De diverse, gelensde beelden van kruisen, ringen, bogen en meer zijn zowel intrigerend als informatief. Zwaartekrachtlenzen peilen naar de verdeling van materie in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, en maken waarnemingen van het verre heelal mogelijk. De gegevens van de Hubble-telescoop zullen ook als basis en leidraad dienen voor de James Webb-ruimtetelescoop, die met zijn infraroodwaarnemingen nog verder de kosmos in zal gaan.
