Η παρατήρηση του Hubble με τον βαρυτικό φακό στην κάτω δεξιά γωνία. NASA, ESA, and X. Huang (University of San Francisco); Processing: Gladys Kober (NASA/Catholic University of America).
Στην κάτω δεξιά γωνία μιας εικόνας του Hubble, δύο γαλάζια τόξα αγκαλιάζουν έναν κοκκινωπό γαλαξία. Το μεγαλύτερο και το μικρότερο τόξο δείχνουν τον ίδιο μακρινό γαλαξία, ιδωμένο από δύο διαφορετικές διαδρομές του φωτός του. Ανάμεσα στον παρατηρητή και στην πηγή βρέθηκε ένα τεράστιο φυσικό όργανο: η μάζα ενός πιο κοντινού γαλαξία.
Ο φακός χωρίς γυαλί
Στη γενική σχετικότητα, η μάζα επηρεάζει τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου. Το φως ακολουθεί τη γεωμετρία αυτή. Αν ένας μακρινός γαλαξίας, μια μεγάλη μάζα και η Γη ευθυγραμμιστούν αρκετά καλά, το φως της μακρινής πηγής μπορεί να φτάσει σε εμάς ακολουθώντας περισσότερες από μία διαδρομές. Η παρατήρηση δίνει τότε πολλαπλές, συχνά τεντωμένες εικόνες της ίδιας πηγής.
Αν η ευθυγράμμιση είναι σχεδόν συμμετρική, το αποτέλεσμα μπορεί να μοιάζει με δακτύλιο. Στο καρέ του Hubble η διάταξη δίνει δύο τόξα, το ένα μεγαλύτερο και το άλλο μικρότερο και ανεστραμμένο. Ο μεγάλος σπειροειδής γαλαξίας στο κέντρο τραβά πρώτος το βλέμμα. Τον ρόλο του φακού τον έχει ο μικρότερος κοκκινωπός ελλειπτικός γαλαξίας κοντά στα τόξα. Αυτή η διάκριση αλλάζει ολόκληρη την ανάγνωση της εικόνας.
Η παραμόρφωση μετρά μάζα
Η έκταση και το σχήμα των τόξων εξαρτώνται από την ευθυγράμμιση και από το πόση μάζα υπάρχει κατά μήκος της διαδρομής του φωτός. Οι αστρονόμοι δοκιμάζουν μοντέλα που αναπαράγουν τις παρατηρούμενες εικόνες και ελέγχουν ποια κατανομή μάζας ταιριάζει στα δεδομένα. Ενα πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι η βαρύτητα ανταποκρίνεται στη συνολική μάζα, είτε αυτή εκπέμπει φως είτε όχι.
Συγκρίνοντας τη μάζα που απαιτεί το μοντέλο με εκείνη που εκτιμάται από τα άστρα και την υπόλοιπη ορατή ύλη, οι ερευνητές βάζουν περιορισμούς στο πόση σκοτεινή ύλη μπορεί να υπάρχει. Το αποτέλεσμα έχει αβεβαιότητες. Η μορφή της μακρινής πηγής, οι αποστάσεις και άλλες μάζες κατά μήκος της ίδιας διεύθυνσης μπορούν να επηρεάσουν την εκτίμηση.
Πώς ξεχωρίζουν ότι τα τόξα ανήκουν στον ίδιο γαλαξία
Ο φακός μπορεί να αναστρέψει ένα τμήμα της εικόνας και να μεγεθύνει άλλο τμήμα περισσότερο. Οι αστρονόμοι κοιτάζουν αν χαρακτηριστικά που εμφανίζονται στο ένα τόξο μπορούν να αναπαραχθούν στο άλλο με το ίδιο μοντέλο. Οπου υπάρχει φάσμα, μπορούν να ελέγξουν αν οι γραμμές του φωτός έχουν την ίδια μετατόπιση, άρα αν οι δύο εικόνες ταιριάζουν στην ίδια μακρινή πηγή. Τα χρώματα και η συμμετρία δίνουν την πρώτη ένδειξη. Η συμφωνία με τις μετρήσεις στηρίζει την ταυτοποίηση.
Στο συγκεκριμένο παράδειγμα βλέπουμε φως από τον κοντινότερο γαλαξία που ταξίδεψε περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και από τον γαλαξία του υποβάθρου που ταξίδεψε περίπου οκτώ δισεκατομμύρια χρόνια. Στο ίδιο καρέ, επομένως, συνυπάρχουν διαφορετικές εποχές της ιστορίας του σύμπαντος.
Από ένα καρέ σε χάρτη του ουρανού
Μια λεπτομερής εικόνα επιτρέπει να μελετηθούν οι μικρές διαφορές στα τόξα. Μια έρευνα με μεγάλο οπτικό πεδίο μπορεί να εντοπίσει πολλά ακόμη συστήματα για σύγκριση. Αυτός είναι ο συμπληρωματικός ρόλος που σχεδιάζεται για το Hubble και το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman. Το ένα προσφέρει λεπτομερείς παρατηρήσεις επιλεγμένων στόχων, ενώ το μεγαλύτερο πεδίο του άλλου ανοίγει τον δρόμο για πολύ μεγαλύτερα δείγματα.
Τα δύο γαλάζια τόξα έχουν επομένως διπλή αξία. Κάνουν ορατό έναν μακρινό γαλαξία και ταυτόχρονα λειτουργούν σαν αποτύπωμα της μάζας που συνάντησε το φως του στη διαδρομή.
Της Ολοίβιας
