Nocne niebo od dawna przyciąga i robi wrażenie na osobach wieloma gwiazdami. Teleskop amatorski może zobaczyć znacznie większą różnorodność obiektów głębokiej przestrzeni - obfitość gromad, sferycznych i rozproszonych, mgławic i pobliskich galaktyk. Istnieją jednak niezwykle spektakularne i interesujące zjawiska, które mogą wykryć tylko potężne instrumenty astronomiczne. Wśród takich skarbów wszechświata są zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, a wśród nich tzw. krzyże Einsteina. Co to jest, dowiemy się w tym artykule.
Soczewki kosmiczne
Soczewka grawitacyjna jest tworzona przez silne pole grawitacyjne obiektu o znacznej masie (na przykład dużej galaktyki), przypadkowo złapanego między obserwatora a odległe źródło światła - kwazar, inna galaktyka lub jasna supernowa.
Teoria grawitacji Einsteina traktuje pola grawitacyjne jako deformacje kontinuum czasoprzestrzennego. W związku z tym linie, po których rozchodzą się promienie świetlne w najkrótszych odstępach czasu (linie geodezyjne) są równieżsą zgięte. W efekcie obserwator widzi obraz źródła światła zniekształcony w określony sposób.
Co to jest „krzyż Einsteina”?
Charakter zniekształceń zależy od konfiguracji soczewki grawitacyjnej i jej położenia względem linii widzenia łączącej źródło i obserwatora. Jeśli soczewka jest ściśle symetryczna na linii ogniskowej, to zdeformowany obraz okazuje się pierścieniowy, jeśli środek symetrii jest przesunięty względem linii, to taki pierścień Einsteina można podzielić na łuki.
Przy dostatecznie silnym przesunięciu, gdy odległości pokonywane przez światło różnią się znacznie, soczewkowanie tworzy obrazy wielopunktowe. Krzyż Einsteina na cześć autora ogólnej teorii względności, w ramach której przewidywano tego rodzaju zjawiska, nazywa się poczwórnym obrazem źródła soczewkowego.
Quasar w czterech twarzach
Jednym z najbardziej "fotogenicznych" obiektów poczwórnych jest kwazar QSO 2237+0305 należący do konstelacji Pegaza. Jest bardzo daleko: światło emitowane przez ten kwazar podróżowało ponad 8 miliardów lat, zanim trafiło w obiektywy kamer teleskopów naziemnych i kosmicznych. Należy pamiętać w odniesieniu do tego Krzyża Einsteina, że jest to nazwa własna, choć nieoficjalna i pisana z dużej litery.
Na górze zdjęcia znajduje się Krzyż Einsteina. Centralnym punktem jest jądro soczewkującej galaktyki. Zdjęcie zostało zrobione przez kosmosteleskop Hubble'a.
Galaktyka ZW 2237+030, działająca jak soczewka, jest 20 razy bliżej niż sam kwazar. Co ciekawe, ze względu na dodatkowy efekt soczewkowania wytwarzany przez poszczególne gwiazdy i prawdopodobnie gromady gwiazd lub masywne obłoki gazu i pyłu w swoim składzie, jasność każdego z czterech składników podlega stopniowym zmianom i nierównomiernym.
Różnorodność kształtów
Być może nie mniej piękny jest krzyżowo-soczewkowy kwazar HE 0435-1223, prawie w tej samej odległości co QSO 2237+0305. Soczewka grawitacyjna, ze względu na całkowicie przypadkowy układ okoliczności, zajmuje tutaj taką pozycję, że wszystkie cztery obrazy kwazara są rozmieszczone prawie równomiernie, tworząc prawie regularny krzyż. Ten niezwykle spektakularny obiekt znajduje się w konstelacji Eridani.
I wreszcie specjalna okazja. Astronomowie mieli szczęście uchwycić na zdjęciu, jak potężny obiektyw - galaktyka w ogromnej gromadzie na pierwszym planie - wizualnie powiększył nie kwazar, ale wybuch supernowej. Wyjątkowość tego zdarzenia polega na tym, że supernowa, w przeciwieństwie do kwazara, jest zjawiskiem krótkotrwałym. Wybuch, nazwany supernową Refsdal, miał miejsce w odległej galaktyce ponad 9 miliardów lat temu.
Nieco później, do krzyża Einsteina, który wzmocnił i pomnożył starożytną eksplozję gwiezdną, nieco dalej, dodano kolejny piąty obraz, spóźniony ze względu na specyfikę struktury soczewki i, nawiasem mówiąc, przewidzianyz góry.
Na poniższym obrazku widać „portret” supernowej Refsdal pomnożony przez grawitację.
Naukowe znaczenie zjawiska
Oczywiście takie zjawisko jak krzyż Einsteina odgrywa nie tylko rolę estetyczną. Istnienie tego typu obiektów jest konieczną konsekwencją ogólnej teorii względności, a ich bezpośrednia obserwacja jest jednym z najbardziej oczywistych potwierdzeń jej słuszności.
Wraz z innymi efektami soczewkowania grawitacyjnego przyciągają uwagę naukowców. Krzyże i pierścienie Einsteina umożliwiają badanie nie tylko tak odległych źródeł światła, których nie można było zobaczyć przy braku soczewek, ale także struktury samych soczewek - na przykład rozkładu ciemnej materii w gromadach galaktyk.
Badanie nierównomiernie ułożonych soczewkowych obrazów kwazarów (w tym krzyżowych) może również pomóc w udoskonaleniu innych ważnych parametrów kosmologicznych, takich jak stała Hubble'a. Te nieregularnie ukształtowane pierścienie i krzyże Einsteina są tworzone przez promienie, które przebyły różne odległości w różnych czasach. Dlatego porównanie ich geometrii z fluktuacjami jasności umożliwia uzyskanie dużej dokładności w wyznaczaniu stałej Hubble'a, a co za tym idzie dynamiki Wszechświata.
Jednym słowem, niesamowite zjawiska tworzone przez soczewki grawitacyjne są nie tylko przyjemne dla oka, ale również odgrywają poważną rolę we współczesnych naukach o kosmosie.
