Vad är gravitationslinser?
När gravitationen drivs till sin spets kan den skapa fascinerande visuella effekter som Hubble är väl lämpad att observera. Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver hur masskoncentrationer förvränger rummet runt omkring dem. En gravitationslins kan uppstå när en stor mängd materia, som en galaxhop, skapar ett gravitationsfält som förvränger och förstorar ljuset från avlägsna galaxer som ligger bakom den men i samma siktlinje. Effekten är som att titta genom ett gigantiskt förstoringsglas. Det gör det möjligt för forskare att studera detaljerna hos tidiga galaxer som ligger för långt bort för att kunna ses med dagens teknik och teleskop.
Mindre objekt, som enskilda stjärnor, kan också fungera som gravitationslinser när de passerar framför mer avlägsna stjärnor. Under några dagar eller veckor verkar ljuset från den mer avlägsna stjärnan tillfälligt ljusare eftersom det förstoras av gravitationen hos det närmare objektet. Denna effekt kallas gravitationell mikrolinsning.
Den enklaste typen av gravitationslinsning inträffar när det finns en enda koncentration av materia i centrum, till exempel den täta kärnan i en galax. Ljuset från en avlägsen galax omdirigeras runt denna kärna, vilket ofta ger upphov till flera bilder av bakgrundsgalaxen. När linsen närmar sig perfekt symmetri uppstår en fullständig eller nästan fullständig cirkel av ljus, en så kallad Einsteinring. Hubbleobservationer har bidragit till att kraftigt öka antalet Einsteinringar som astronomerna känner till.
Mer komplexa gravitationslinser uppstår vid observationer av massiva galaxhopar. Även om fördelningen av materia i en galaxhop i allmänhet har ett centrum, är den aldrig cirkelsymmetrisk och kan vara betydligt klumpig. Bakgrundsgalaxer linsas av klustret och deras bilder visas ofta som korta, tunna ”linsbågar” runt klustrets utkanter.
Dessa linsade bilder fungerar också som sonder av materiafördelningen i galaxhopen. Resultaten tyder på att det mesta av materian i en galaxhop inte finns i de synliga galaxerna eller i den heta gasen runt omkring dem och att den inte avger ljus, och därför kallas den för mörk materia. Fördelningen av linsbilder återspeglar fördelningen av all materia, både synlig och mörk materia. Hubbles bilder av gravitationslinser har använts för att skapa kartor över mörk materia i galaxhopar.
En karta över materian i en galaxhop hjälper i sin tur till att ge bättre förståelse och analys av de gravitationslinsade bilderna. En modell av materiafördelningen kan hjälpa till att identifiera flera bilder av samma galax eller förutsäga var de mest avlägsna galaxerna sannolikt kommer att dyka upp i en galaxklusterbild. Astronomer arbetar mellan de gravitationella linserna och klustrens materiafördelning för att förbättra vår förståelse av båda.
Då mycket avlägsna galaxer är mycket svaga, utökar gravitationslinser Hubbles vy djupare in i universum. Gravitationslinser förvränger inte bara bilden av en bakgrundsgalax, utan kan också förstärka dess ljus. Genom att titta genom en linsande galaxhop kan Hubble se svagare och mer avlägsna galaxer än vad som annars vore möjligt. Det är som att ha en extra lins som är lika stor som galaxhopen. Frontier Fields-projektet har undersökt flera galaxhopar, mätt deras länsning och materiafördelning och identifierat en samling av dessa mest avlägsna galaxer.
De olika, linsade bilderna av kors, ringar, bågar med mera är både fascinerande och informativa. Gravitationslinser undersöker fördelningen av materia i galaxer och galaxhopar och möjliggör observationer av det avlägsna universum. Hubbles data kommer också att utgöra en grund och vägledning för rymdteleskopet James Webb, vars infraröda observationer kommer att leda ännu längre in i kosmos.
