Száz évvel ezelőtt Albert Einstein radikálisan új módszert vezetett be a gravitációs erőről. Általános relativitáselmélete azt állította, hogy a tér nem egy üres aréna, amelyben a világegyetem eseményei játszódnak le, hanem az események aktív résztvevője.
Az általános relativitáselmélet szerint bármi, aminek tömege van - csillag, bolygó, vidra - eltorzítja a körülötte lévő teret, görbülést okozva. Az anyag görbíti a teret, és ez a görbület más kérdést is megmond a mozgás módjáról. Mi, emberek, nem vagyunk képesek elképzelni egy ívelt háromdimenziós teret, tehát van egy kétdimenziós analógia: ha nehéz gömböt helyezünk a trambulinra, a trambulin felülete meghajlik. Ha ezután a gömböket gördítjük át a trambulin felületén, azok útja görbe lesz. Ez egy tökéletlen analógia, de közvetíti az általános elképzelést. Ez az elv, ezért a Föld egy görbe ösvényt követ a Nap körül, a Hold pedig egy görbe ösvényt követi a Föld körül.
Az általános relativitáselmélet egyik legfontosabb jellemzője, hogy a tér görbülete befolyásolja a fény útját és az anyagot. Ezt a hatást „gravitációs lencsének” hívják. Ez kiderül, hogy különbözik attól, ahogyan a fény viselkedik a newtoni gravitáció alatt, tehát a gravitációs lencsék azonnali felhasználásával megvizsgálják, hogy az általános relativitáselmélet valós-e. Rendkívül hasznosnak bizonyul a világegyetem legtávolabbi sarkainak tanulmányozásában is, mivel nagyítja a távoli galaxisok képeit.
Hogyan működik a gravitációs lencse? Ha valamely távoli csillag felé felé haladó fény áthalad egy másik hatalmas tárgyon - mondjuk egy másik csillagon vagy galaxison -, akkor a fény eltérül, és útja megváltozik. Amikor ez a fény eléri a Földet, úgy tűnik, hogy az eredeti útjától eltérő irányból származik. Úgy látjuk, hogy a csillag az égbolton más helyzetben van, mint ahol valójában található. A háttércsillag látszólagos mozgása pontosan kétszerese annak, amit láthatna a newtoni gravitációban; ennélfogva egyszerű módszert kínál Einstein elméletének kipróbálására.
Annak mérésére, hogy egy csillag képe mekkora mértékben mozog-e, meg kell tudnod látni azt mind a előtt, mind pedig azt követően, hogy a fényét a közbeeső tömeg eltéríti. Általában nem választjuk meg a távolságot a Földtől, hogy két különböző szöget láthassunk távoli csillagokat, de kihasználhatjuk azt a tényt, hogy a Nap körül mozogunk.
Ha megfigyeltünk egy csillagot az ég ellentétes részén a naptól, akkor láthatjuk annak "valódi" helyzetét. Hat hónappal később a csillag az ég ugyanazon a részén lesz, mint a nap, és ezután megmérhetjük, hogy a csillag fényét mennyire elhajlik a nap tömege. Általában nem figyeljük meg a csillagokat, amikor a naphoz közel vannak, mert nappali, amikor a nap fel van. De bizonyos körülmények között megtehetjük. Egyszer van, amikor a nap felkel, de a napfényt el nem takarják: teljes napfogyatkozás.
1919 májusában a csillagászok felpillantottak egy napfogyatkozásra, amely Afrika és Dél-Amerika egy részéből is látható volt. A napfogyatkozás sikeres megfigyelésének esélyeinek maximalizálása érdekében két csapatot küldtek megfigyelésére: egyet Brazíliába, a másikot pedig Sir Arthur Eddington vezetésével a Nyugat-Afrika partján lévő Principe szigetére. A részleges felhőtakarás ellenére Eddington csapata sikeres volt. A fény elhajlása, amelyet a csillagoktól mérnek a Hidádok klaszterében, tökéletesen illeszkedett Einstein elméletéhez.
Az 1919. május 29-i teljes napfogyatkozás során Sir Arthur Eddington (jobbra) megerősítette Einstein általános relativitáselméletét a csillagfénynek a nap melletti elhajlásának kiszámításával. (AKG) Ez a felfedezés jelentőségteljes volt. "MINDEN KÉRDÉSEK VÉGZIK A KÖNNYEN. EINSTEIN ELMÉLETI HATÁSOK" - jelentette ki a New York Times. (Hozzátette: „A tudományos férfiak többé-kevésbé aggódnak az árnyékolás megfigyeléseinek eredményeiről.”) A megerősítés adott pillanatot az egységnek a háború által szétesett világban; amint azt a fizikus, JP McEvoy, az Eclipse című 1999. évi könyvében megjegyezte, "a világegyetem új elméletét, a Berlinben dolgozó német zsidó agygyermekét egy angol kveeker megerősítette egy kis afrikai szigeten".
Csak 1936-ban a Fritz Zwicky nevű svájci csillagász felismerte a gravitációs lencse eszközét, amely eszközként szolgálhat az univerzum csillagszomszédságon kívüli világának megismeréséhez. A galaxisok klaszterének tömegének kiszámításakor - akkoriban extragalaktikus ködként ismertek - Zwicky megjegyezte, hogy nagy esély van arra, hogy a mögöttük elhelyezkedő távoli galaxisok fénye elhajlik, amikor elhaladja ezeket a klasztereket. 1937-ben azt írta, hogy ez a hatás "lehetővé tenné számunkra, hogy a ködök olyan távolságon belül is megfigyelhetők legyenek, mint amelyeket a legnagyobb távcsövek általában elérnek".
Ennek a koncepciónak a kulcsa a gravitációs lencse olyan tulajdonsága, amely hihetetlenül hasznossá teszi: A fény, amely egyébként tőlünk távol lenne, az irányunk felé fordul, vagyis a lencsés forrásokból több fényt látunk, mint általában. Más szavakkal, a távoli galaxisok nagyobbak lesznek, amelyek hatalmas tárgyak mögött fekszenek. És mivel a galaxiscsoportok a legtömegebb struktúrák az univerzumban, ezek a legjobb nagyító szemüvegek, amelyeket a természet kínál.
Közel 50 éve Zwicky javaslatára kevés figyelmet kapott. A potenciálisan lencsézett galaxisok végül is túlságosan halványak voltak ahhoz, hogy észrevegyék őket. Ez megváltozott az 1980-as években, amikor az első digitális képalkotó eszközök fejlesztése felváltotta a fotólemezeket, és drasztikusan növelte a távcsövek gyenge forrásokkal szembeni érzékenységét.
1986-ban egy drámai, meghosszabbított ívot fedeztek fel az Abell 370 galaxiscsoportban. A képen látható hosszú, piros ív kétszer olyan távolságra mutatott, mint maga a klaszter: ez egy háttér-galaxis - egy spirál, amely hasonló a Tejúthoz. amelynek fényét a klaszter tömege eltorzította, és erre a hatalmas ívre nyújtja. Egy évtizeddel később egy másik lencséjű galaxis megtörte az ismert legtávolabbi objektum rekordját, az 1960-as évek óta először, hogy egy szokásos galaxis - nem kvazár, az univerzum legfényesebb tárgya - tartotta ezt a nyilvántartást.
Az Abell 2744 (előtér) hatalmas galaxis klaszterének hosszú expozíciójú Hubble Űrteleszkópos képe a legmélyebb valaha készült galaxiscsoportból. (NASA / ESA) A Hubble Űrtávcső (HST) elindítása 2009-ben a legérzékenyebb képeket nyújtotta a távoli világegyetemről, és végső kiszolgálási feladata egy új, rendkívül érzékeny közeli infravörös kamera volt. A Hubble-vel jelenleg folyamatban van egy új program, amely megígéri, hogy pillantásaink határait még tovább tolja az univerzumba: a Hubble Frontier Fields program.
Ennek a programnak az a gondolata, hogy hihetetlenül mély megfigyeléseket végezzen, amelyek feltárják a legrosszabb, legtávolabbi galaxisokat -, de stratégiailag a galaxiscsoportokra irányulnak, hogy kihasználják a gravitációs lencsék nagyító hatását. A program hat hatalmas galaxisklaszterre terjed ki, amelyek közül öt eddig elkészült. Jen Lotz, a Frontier Fields projekt vezető tudósát úgy jellemezte, mint "a világ legmélyebb nézetét".
"A Frontier Fields egy kísérlet" - mondja Matt Mountain, a Csillagászati Kutató Egyetemek Szövetségének (AURA) elnöke és a Hubble-t működtető Űrtávcső tudományos intézetének korábbi igazgatója. A kísérlet alapvető kérdése: "Használhatjuk-e Hubble kifinomult képminőségét és Einstein általános relativitáselméletét az első galaxisok keresésére?"
Az első határmezők előzetes elemzése már megkezdte a betekintést a korai világegyetembe. Az első klaszter, az Abell 2744 mögött nagyszerű képeket találtunk a korai világegyetemben lévő galaxisok egy csoportjáról - alig néhány száz millió évvel a Nagyrobbanás után -, amelyek esetleg saját klaszter kialakulásának folyamatában vannak.
A Frontier Field képeinek gondos tanulmányozása feltárja a galaxisokat, amelyek gravitációs lencsével legalább 50-szer nagyítottak. Ezek a leggyengébb galaxisok, amelyeket valaha láttak a korai világegyetemben. Ezek közül a legkisebb olyan lesz, mint a Fornax törpe, egy apró galaxis, amely a Tejút körüli körüli körüli körüli és tömegének ezernegye. Noha a galaxisok szerint ez kicsi, a Határmezőkből megtanuljuk, hogy a korai világegyetemben óriási számú kis galaxis létezett. Valójában annyi, hogy valószínűleg együttesen felelősek az energia legnagyobb részéért az univerzum első milliárd évében.
A Hubble Űrtávcső képességei határozzák meg, hogy a múltban milyen messze láthatjuk. A legelső galaxisok fénye eddig az infravörös irányba tolódott el a tér kiterjedése által, amelyet Hubble nem lát. Mindez 2018-ban megváltozik, amikor a Hubble utódja, a James Webb Űrtávcső 2018-ban elindul. Egy nagyobb tükörrel és érzékenyebb kamerákkal, amelyek tovább láthatók az infravörös tartományban, a Webb lehetővé teszi számunkra, hogy még távolabbra mutassunk a múltba, és még a halványabb galaxisokat is megnézheti. Ha Webbre mutatunk a galaxisfürtökön és előnyünkre használjuk a gravitációs lencsét, akkor tovább mozgathatjuk ezeket a határokat.
Néhány év alatt valószínűleg megnézzük a legelső galaxisokat, amelyek valaha kialakultak.
