De nachtelijke hemel heeft lang een persoon met veel sterren aangetrokken en maakt indruk. Een amateurtelescoop kan een veel grotere verscheidenheid aan objecten in de diepe ruimte zien - een overvloed aan bolvormige en verstrooide clusters, nevels en nabijgelegen sterrenstelsels. Maar er zijn buitengewoon spectaculaire en interessante verschijnselen die alleen krachtige astronomische instrumenten kunnen detecteren. Tot zulke schatten van het universum behoren de gebeurtenissen van zwaartekrachtlensing, en daaronder bevinden zich de zogenaamde kruisen van Einstein. Wat het is, zullen we in dit artikel ontdekken.
Ruimtelenzen
Een zwaartekrachtlens wordt gecreëerd door een krachtig zwaartekrachtveld van een object met een aanzienlijke massa (bijvoorbeeld een groot sterrenstelsel), per ongeluk gevangen tussen de waarnemer en een verre lichtbron - een quasar, een ander sterrenstelsel of een helder supernova.
Einsteins zwaartekrachttheorie beschouwt gravitatievelden als vervormingen van het ruimte-tijd continuüm. Dienovereenkomstig zijn de lijnen waarlangs lichtstralen zich in de kortste tijdsintervallen voortplanten (geodetische lijnen) ook:zijn gebogen. Als resultaat ziet de waarnemer het beeld van de lichtbron op een bepaalde manier vervormd.
Wat is het "Einstein-kruis"?
De aard van de vervorming hangt af van de configuratie van de zwaartekrachtlens en van zijn positie ten opzichte van de zichtlijn die de bron en de waarnemer verbindt. Als de lens strikt symmetrisch is op de brandlijn, blijkt het vervormde beeld ringvormig te zijn, als het symmetriecentrum verschoven is ten opzichte van de lijn, dan kan zo'n Einstein-ring in bogen worden verdeeld.
Met een voldoende sterke verschuiving, wanneer de afstanden die door het licht worden afgelegd aanzienlijk verschillen, vormt lensing meerdere puntbeelden. Het kruis van Einstein, ter ere van de auteur van de algemene relativiteitstheorie, in het kader waarvan dit soort verschijnselen werden voorspeld, wordt het viervoudige beeld van de lensbron genoemd.
Quasar in vier gezichten
Een van de meest "fotogenieke" viervoudige objecten is de quasar QSO 2237+0305 die behoort tot het sterrenbeeld Pegasus. Het is heel ver weg: het licht van deze quasar heeft meer dan 8 miljard jaar gereisd voordat het de cameralenzen van grond- en ruimtetelescopen raakte. Met betrekking tot dit Einstein Cross moet in gedachten worden gehouden dat dit een eigennaam is, hoewel onofficieel, en met een hoofdletter is geschreven.
Bovenaan de foto staat het Einstein Cross. De centrale plek is de kern van het lensstelsel. De foto is gemaakt door de ruimtede Hubble-telescoop.
Het sterrenstelsel ZW 2237+030, dat fungeert als een lens, is 20 keer dichterbij dan de quasar zelf. Interessant is dat als gevolg van het extra lenseffect dat wordt geproduceerd door individuele sterren, en mogelijk sterclusters of massieve gas- en stofwolken in de samenstelling, de helderheid van elk van de vier componenten geleidelijke en ongelijkmatige veranderingen ondergaat.
Verscheidenheid aan vormen
Misschien niet minder mooi is de quasar HE 0435-1223 met gekruiste lens, bijna dezelfde afstand als QSO 2237+0305. De zwaartekrachtlens neemt hier door een volledig willekeurige samenloop van omstandigheden een zodanige positie in dat alle vier de afbeeldingen van de quasar bijna gelijk zijn geplaatst en een bijna regelmatig kruis vormen. Dit buitengewoon spectaculaire object bevindt zich in het sterrenbeeld Eridani.
En tot slot een speciale gelegenheid. Astronomen hadden het geluk om op een foto vast te leggen hoe een krachtige lens - een melkwegstelsel in een enorme cluster op de voorgrond - niet een quasar, maar een supernova-explosie visueel uitvergroot. Het unieke van deze gebeurtenis is dat een supernova, in tegenstelling tot een quasar, een fenomeen van korte duur is. De explosie, de Refsdal-supernova genaamd, vond meer dan 9 miljard jaar geleden plaats in een ver sterrenstelsel.
Enige tijd later, aan het Einstein-kruis, dat de oude stellaire explosie versterkte en vermenigvuldigde, iets verder weg, werd nog een vijfde afbeelding toegevoegd, te laat vanwege de eigenaardigheden van de lensstructuur en trouwens, voorspeldvooraf.
In de afbeelding hieronder zie je het "portret" van de supernova Refsdal, vermenigvuldigd met de zwaartekracht.
Wetenschappelijke betekenis van het fenomeen
Een fenomeen als het Einstein-kruis speelt natuurlijk niet alleen een esthetische rol. Het bestaan van dit soort objecten is een noodzakelijk gevolg van de algemene relativiteitstheorie, en hun directe waarneming is een van de meest voor de hand liggende bevestigingen van de geldigheid ervan.
Samen met andere effecten van zwaartekrachtlenzen trekken ze de aandacht van wetenschappers. De kruisen en ringen van Einstein maken het mogelijk om niet alleen zulke verre lichtbronnen te bestuderen die zonder lenzen niet te zien waren, maar ook de structuur van de lenzen zelf - bijvoorbeeld de verdeling van donkere materie in clusters van sterrenstelsels.
De studie van ongelijk gestapelde lensafbeeldingen van quasars (inclusief kruisvormige) kan ook helpen bij het verfijnen van andere belangrijke kosmologische parameters, zoals de Hubble-constante. Deze onregelmatig gevormde Einsteiniaanse ringen en kruisen worden gevormd door stralen die in verschillende tijden verschillende afstanden hebben afgelegd. Daarom maakt een vergelijking van hun geometrie met helderheidsfluctuaties het mogelijk om grote nauwkeurigheid te bereiken bij het bepalen van de Hubble-constante, en daarmee de dynamiek van het heelal.
Kortom, de verbazingwekkende verschijnselen die door zwaartekrachtlenzen worden gecreëerd, zijn niet alleen een lust voor het oog, maar spelen ook een serieuze rol in de moderne ruimtewetenschappen.
