Πριν από εκατό χρόνια, ο Albert Einstein εισήγαγε έναν ριζοσπαστικό νέο τρόπο σκέψης για τη δύναμη της βαρύτητας. Η γενική θεωρία της σχετικότητας δημιούργησε ότι ο χώρος δεν είναι μια κενή αρένα στην οποία παίζουν τα γεγονότα του σύμπαντος - αλλά ένας ενεργός συμμετέχων σε αυτά τα γεγονότα.
Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, οτιδήποτε έχει μαζική - ένα αστέρι, έναν πλανήτη, μια βίδρα - στρεβλώνει τον χώρο γύρω του, προκαλώντας την καμπύλη του. Το Matter στρέφει το διάστημα, και αυτή η καμπυλότητα λέει άλλο θέμα πώς να κινηθεί. Εμείς οι άνθρωποι δεν είμαστε ικανοποιημένοι να φανταστούμε έναν καμπύλο τρισδιάστατο χώρο, οπότε εδώ πρόκειται για μια δισδιάστατη αναλογία: εάν τοποθετηθεί μια βαριά μπάλα πάνω σε ένα τραμπολίνο, η επιφάνεια του τραμπολίνα θα λυγίσει. Εάν στη συνέχεια κυλάτε μάρμαρα στην επιφάνεια του τραμπολίνα, τα μονοπάτια τους θα είναι καμπύλα. Είναι μια ατελής αναλογία, αλλά μεταφέρει τη γενική ιδέα. Αυτή η αρχή είναι ο λόγος για τον οποίο η Γη ακολουθεί μια καμπύλη διαδρομή γύρω από τον Ήλιο και η Σελήνη ακολουθεί ένα καμπύλο μονοπάτι γύρω από τη Γη.
Ένα βασικό χαρακτηριστικό της γενικής σχετικότητας είναι ότι η καμπυλότητα του χώρου επηρεάζει την πορεία του φωτός καθώς και της ύλης. Αυτή η επίδραση είναι γνωστή ως "βαρυτικός φακός". Αυτό αποδεικνύεται διαφορετικό από τον τρόπο που το φως συμπεριφέρεται κάτω από τη Νευτώνεια βαρύτητα, οπότε η άμεση χρήση της βαρυτικής φακού είναι να δοκιμάσουμε αν η γενική σχετικότητα είναι πραγματική. Αποδεικνύεται επίσης εξαιρετικά χρήσιμο για τη μελέτη των πιο απομακρυσμένων γωνιών του σύμπαντος, καθώς προκαλεί μεγέθυνση των εικόνων των μακρινών γαλαξιών.
Πώς λειτουργούν οι βαρυτικοί φακοί; Αν το φως που ταξιδεύει προς το μέρος μας από κάποιο απομακρυσμένο αστέρι περνάει από ένα άλλο μαζικό αντικείμενο - ας πούμε, άλλο αστέρι ή γαλαξία - αυτό το φως παίρνει εκτροπή και το μονοπάτι του μεταβάλλεται. Όταν το φως φτάσει στη Γη, φαίνεται ότι προέρχεται από μια διαφορετική κατεύθυνση από την αρχική της πορεία. Βλέπουμε το αστέρι να βρίσκεται σε διαφορετική θέση στον ουρανό απ 'όπου βρίσκεται στην πραγματικότητα. Αυτή η φαινομενική κίνηση του αστεριού του φόντου είναι ακριβώς διπλάσια από αυτά που θα δείτε στη βαρύτητα του Νεύτωνα. ως εκ τούτου, παρέχει έναν απλό τρόπο για να δοκιμάσει τη θεωρία του Αϊνστάιν.
Για να μετρήσετε πόσο έχει αλλάξει η εικόνα ενός άστρου, θα πρέπει να είστε σε θέση να το παρατηρήσετε τόσο πριν όσο και μετά από την εκτροπή του φωτός από την παρεμβαλλόμενη μάζα. Δεν έχουμε συνήθως την επιλογή να φτάνουμε αρκετά μακριά από τη Γη για να δούμε απομακρυσμένα αστέρια από δύο διαφορετικές γωνίες, αλλά μπορούμε να επωφεληθούμε από το γεγονός ότι κινούμαστε γύρω από τον ήλιο.
Αν παρατηρήσουμε ένα αστέρι στο αντίθετο μέρος του ουρανού από τον ήλιο, βλέπουμε την "αληθινή" του θέση. Έξι μήνες αργότερα, το αστέρι θα βρίσκεται στο ίδιο μέρος του ουρανού με τον ήλιο και τότε μπορούμε να μετρήσουμε πόσο το φως του αστεριού εκτρέπεται από τη μάζα του ήλιου. Δεν μπορούμε συνήθως να παρατηρούμε αστέρια όταν είναι κοντά στον ήλιο, επειδή είναι η μέρα όταν ο ήλιος είναι πάνω. Αλλά κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορούμε. Υπάρχει μια φορά που ο ήλιος είναι ψηλά, αλλά το φως του ήλιου είναι μπλοκαρισμένο: μια ολική έκλειψη ηλίου.
Τον Μάιο του 1919, οι αστρονόμοι κατέλαβαν μια ηλιακή έκλειψη που ήταν ορατή από μέρη τόσο της Αφρικής όσο και της Νότιας Αμερικής. Για να μεγιστοποιήσουν τις πιθανότητες να παρακολουθήσουν με επιτυχία την έκλειψη, δύο ομάδες στάλθηκαν για να το παρατηρήσουν: μία στη Βραζιλία και μία, υπό την ηγεσία του Sir Arthur Eddington, στο νησί του Πρίντσιπε στα ανοικτά των ακτών της Δυτικής Αφρικής. Παρά την μερική κάλυψη σύννεφων, η ομάδα του Eddington ήταν επιτυχημένη. Η εκτροπή του φωτός που μέτρησαν από τα αστέρια στο σύμπλεγμα Hyades συμπλήρωσε τέλεια τη θεωρία του Αϊνστάιν.
Κατά τη διάρκεια της ολικής ηλιακής έκλειψης στις 29 Μαΐου 1919, ο Sir Arthur Eddington (δεξιά) επιβεβαίωσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν υπολογίζοντας την εκτροπή του φωτός του αστέρα δίπλα στον ήλιο. (AKG) Αυτή η ανακάλυψη ήταν σημαντική. «ΦΩΤΕΙ ΟΛΟ ΤΟ ΑΣΚΕΥ ΣΤΙΣ ΑΥΓΟΥΣΤΕΣ». (Πρόσθεσε: «Άνθρωποι της επιστήμης περισσότερο ή λιγότερο συγκλονισμένοι από τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων έκλειψης.») Η επιβεβαίωση έδωσε μια στιγμή ενότητας σε έναν κόσμο που κόπηκε από τον πόλεμο. όπως σημείωσε ο φυσικός JP McEvoy στο βιβλίο του Eclipse του 1999, "μια νέα θεωρία του σύμπαντος, το πνευματικό τέκνο ενός γερμανού Εβραίου που εργάζεται στο Βερολίνο, επιβεβαιώθηκε από έναν Αγγλικό Quaker σε ένα μικρό αφρικανικό νησί".
Δεν ήταν μέχρι το 1936 που ένας Ελβετός αστρονόμος που ονομάστηκε Fritz Zwicky συνειδητοποίησε το δυναμικό των βαρυτικών φακών ως εργαλείο για να μελετήσει το σύμπαν πέρα από την αστρική μας γειτονιά. Κατά τον υπολογισμό των μαζών των συστάδων γαλαξιών - γνωστών την εποχή ως εξωγαλακτικά νεφελώματα - ο Τσβίκι σημείωσε ότι υπήρχε μια καλή πιθανότητα ότι πιο μακρινοί γαλαξίες που βρίσκονται πίσω τους θα είχαν το φως τους να εκτραπεί καθώς πέρασαν αυτά τα σμήνη. Το 1937, έγραψε ότι αυτό το φαινόμενο "θα μας επέτρεπε να βλέπουμε νεφελώματα σε αποστάσεις μεγαλύτερες από εκείνες που συνήθως έφταναν ακόμα και τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια".
Το κλειδί αυτής της έννοιας είναι ένα χαρακτηριστικό της βαρυτικής επικάλυψης που το καθιστά απίστευτα χρήσιμο: Το φως που διαφορετικά θα κατευθυνόταν μακριά από μας γυρίζει προς την κατεύθυνσή μας, πράγμα που σημαίνει ότι βλέπουμε περισσότερο φως από πηγές με φακές απ 'ότι συνήθως. Με άλλα λόγια, οι μακρινοί γαλαξίες που βρίσκονται πίσω από μαζικά αντικείμενα μεγεθύνονται. Και δεδομένου ότι οι συστάδες γαλαξιών είναι οι πιο τεράστιες δομές του σύμπαντος, είναι οι καλύτεροι μεγεθυντικοί φακοί που έχει να προσφέρει η φύση.
Για σχεδόν 50 χρόνια, η πρόταση του Zwicky έλαβε λίγη προσοχή. Οι δυνητικοί φακοί του φακού ήταν, τελικά, πολύ λιποθυμικοί για να το δουν. Αυτό άλλαξε στη δεκαετία του 1980, όταν η ανάπτυξη των πρώτων ψηφιακών συσκευών απεικόνισης αντικατέστησε τις φωτογραφικές πλάκες και αύξησε δραματικά την ευαισθησία των τηλεσκοπίων στις εξασθενημένες πηγές.
Το 1986, ανακαλύφθηκε ένα δραματικό εκτεταμένο τόξο στο σύμπλεγμα των γαλαξιών Abell 370. Το μακρύ, κόκκινο τόξο σε αυτή την εικόνα αποδείχθηκε δύο φορές πιο μακριά από το ίδιο το σύμπλεγμα: είναι ένας γαλαξίας στο παρασκήνιο - μια σπείρα σαν το Γαλαξία - του οποίου το φως έχει παραμορφωθεί από τη μάζα του συμπλέγματος, το τεντώνοντας σε αυτό το τεράστιο τόξο. Μια δεκαετία αργότερα, ένας άλλος φακοειδής γαλαξίας έσπασε το ρεκόρ για το πιο μακρινό αντικείμενο που ήταν γνωστό, την πρώτη φορά από τη δεκαετία του 1960 που ένας κανονικός γαλαξίας - όχι ένα κβάζαρ, τα λαμπρότερα αντικείμενα στο σύμπαν - είχε κρατήσει αυτό το ρεκόρ.
Αυτή η μακροσκοπική απεικόνιση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble από το τεράστιο σύμπλεγμα των γαλαξιών Abell 2744 (πρώτο πλάνο) είναι το πιο βαθύ από οποιαδήποτε συστάδα γαλαξιών. (NASA / ESA) Το 2009, η εκτόξευση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble (HST) παρείχε τις πιο ευαίσθητες εικόνες που αποκτήθηκαν ποτέ από το μακρινό σύμπαν και η τελική αποστολή εξυπηρέτησης προσέφερε μια νέα εξαιρετικά ευαίσθητη κάμερα υπέρυθρων υπερύθρων. Σε εξέλιξη, το Hubble είναι ένα νέο πρόγραμμα που υπόσχεται να προωθήσει ακόμη περισσότερο τα όρια του βλέμματος μας στο σύμπαν: το πρόγραμμα Hubble Frontier Fields.
Η ιδέα πίσω από αυτό το πρόγραμμα είναι να κάνει απίστευτα βαθιές παρατηρήσεις που αποκαλύπτουν τους πιο αδύναμους και πιο απομακρυσμένους γαλαξίες - αλλά στρατηγικά στοχεύοντας σε ομάδες γαλαξιών, έτσι ώστε να επωφεληθούν από την μεγεθυντική επίδραση της βαρυτικής λήψης. Το πρόγραμμα θα καλύπτει συνολικά έξι μαζικές συστάδες γαλαξιών, πέντε από τα οποία έχουν ολοκληρωθεί μέχρι σήμερα. Ο επικεφαλής επιστήμονας στο σχέδιο Frontier Fields, Jen Lotz, το περιέγραψε ως "τη βαθύτερη άποψη του σύμπαντος που έχει ληφθεί ποτέ".
"Τα πεδία των συνόρων είναι ένα πείραμα", λέει ο Matt Mountain, πρόεδρος της Ένωσης Πανεπιστημίων για την Έρευνα στην Αστρονομία (AURA) και πρώην διευθυντής του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικού Τηλεσκοπίου που χρησιμοποιεί το Hubble. Η βασική ερώτηση του πειράματος: "Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την εξαιρετική ποιότητα εικόνας του Hubble και τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν για την αναζήτηση των πρώτων γαλαξιών;"
Η προκαταρκτική ανάλυση του πρώτου Frontier Fields έχει ήδη αρχίσει να δίνει μια πλούσια εικόνα για το πρώιμο σύμπαν. Πολύ πίσω από την πρώτη ομάδα, Abell 2744, βρήκαμε μεγεθυμένες εικόνες μιας ομάδας γαλαξιών στον πρώιμο κόσμο - μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη - που μπορεί να είναι στη διαδικασία σχηματισμού ενός δικού τους συμπλέγματος.
Η προσεκτική μελέτη των εικόνων του Frontier Fields αποκαλύπτει ότι οι γαλαξίες έχουν μεγεθυνθεί 50 φορές ή περισσότερο με τη χρήση βαρυτικών φακών. Αυτοί είναι μερικοί από τους ελάχιστους γαλαξίες που παρατηρήθηκαν ποτέ στο πρώιμο σύμπαν. Το μικρότερο από αυτά θα γίνει κάτι σαν το νάνος Fornax, ένας μικροσκοπικός γαλαξίας που περιστρέφεται γύρω από τον Γαλαξία και είναι περίπου το ένα τέταρτο της μάζας του. Αν και αυτό είναι μικρό από τα πρότυπα των γαλαξιών, μαθαίνουμε από τα Πεδία Περίφραξης ότι υπήρχε ένας τεράστιος αριθμός μικρών γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν. Τόσοι πολλοί, στην πραγματικότητα, ότι από κοινού μπορεί να ήταν υπεύθυνοι για το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος.
Το όριο του βαθμού στο παρελθόν που μπορούμε να δούμε καθορίζεται από τις δυνατότητες του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Οι πρώτοι γαλαξίες έχουν το φως τους μετατοπιστεί μέχρι τώρα στον υπέρυθρο από την επέκταση του χώρου που δεν μπορεί να τους δει ο Χάμπλ. Όλα αυτά θα αλλάξουν το 2018 όταν ο διάδοχος του Hubble, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, θα κυκλοφορήσει το 2018. Με έναν μεγαλύτερο καθρέφτη και πιο ευαίσθητες κάμερες που μπορούν να δουν περαιτέρω στην υπέρυθρη ακτινοβολία, το Webb θα μας επιτρέψει να κοιτάξουμε ακόμα περισσότερο στο παρελθόν και δείτε ακόμα πιο αχνά γαλαξίες. Αν επισημάνουμε το Webb σε συστάδες γαλαξιών και χρησιμοποιούμε το βαρυτικό φακό προς όφελός μας, μπορούμε να πιέσουμε αυτά τα όρια.
Μέσα σε λίγα μόνο χρόνια, ίσως κοιτάξουμε τους πρώτους γαλαξίες που έχουν διαμορφωθεί ποτέ.
