Gravitációs lencsék – a természet távcsövei

Ha egy kellően fényes, távoli égitest fénye a Föld felé tartva egy nagy tömegű objektum mellett  halad el, ez utóbbi egy óriási lencséhez hasonlóan eltérítheti, felnagyíthatja és fókuszálhatja azt.

Gravitációs lencsék – a természet távcsövei

1. oldal

Pár hónappal ezelőtt a Niels Bohr Intézet néhány fizikus hallgatója valami egészen különlegeset fedezett fel egy nyári csillagászati kurzus alkalmával: egy olyan gravitációs lencsét azonosítottak, amelynek köszönhetően ugyanazon objektumról hat kép vetül az égboltra. Ahogy egy égitest által kibocsátott fény áthalad az űrön, a nagy tömegű objektumok eltérítik azt, mintha óriási optikai lencséken haladna át a fénynyaláb. Jelen esetben az SDSS J2222+2745 katalógusjelű kvazár fénye egy több száz galaxisból álló halmazon haladt át, amely addig görbítgette a fénysugarakat, míg a Földről tekintve az égitest hat különböző kép formájában jelenítődött meg.

A, B, C és D a kvazár képe (a másik két kép túlságosan halvány ezen a felvételen), G1, G2 és G3 pedig a lencséző galaxishalmaz tagjai

A kvazárok már önmagukban is nagyon érdekfeszítő objektumoknak számítanak. Az univerzum legerősebben sugárzó égitestjei, fényerejük több milliárdszorosa egy átlagos csillagénak, holott térbeli kiterjedésük nem haladja meg a Naprendszerét. Képük éppen ezért pontszerű, innen is kapták a nevüket (csillagszerű rádióforrás, quasi stellar radio source). Az első kvazárt 1963-ban fedezték fel, és bár azóta kiderült, hogy a legtöbb ilyen égitest neve ellenére nem számít különösebben erős rádióforrásnak, az optikai és a röntgentartományban nagyon is jelentős a sugárzásuk.

A jelenleg elfogadott elméletek szerint ezek az égitestek kialakulóban lévő, nagyon távoli (és persze éppen ezért nagyon ősi) galaxisok magjai lehetnek. Középpontjukban egy szupermasszív fekete lyuk található, amely maga köré gyűjti a formálódó galaxis anyagát. A gázfelhők, illetve az erős gravitáció hatására szétszakadó csillagok anyaga örvénylő, úgynevezett tömegbefogási korongot képez a fekete lyuk körül. A folyamatosan táplálkozó fekete lyuk így hatalmas energiákat sugároz ki, erős fényforrásként bukkanva fel az égen.

A kvazárok tanulmányozása szempontjából létfontosságúak a gravitációs lencsék, amelyek létezését ugyan már Einstein általános relativitáselmélete (1916) is előrevetítette, ténylegesen azonban csak 1979-ben sikerült megfigyelni az első ilyet. Persze korábban is akadtak már „gyanús” asztrofotók, de igazából senki sem tudta, hogy mihez kezdjen ezekkel. Meg Urry, a Yale Csillagászati és Asztrofizikai Központjának jelenlegi igazgatója 1976 nyarán tudtán kívül ugyan, de fontos szerepet játszott az első gravitációs lencse későbbi felfedezésében.

Urry, aki akkoriban még csak egyetemi hallgató volt, egy egyszerű nyári gyakorlat keretében került a virginiai Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatóriumba (NRAO), ahol a frissen doktorált Richard Porcas felügyelete alatt tevékenykedett. Meg Urry ekkor még egyáltalán nem volt biztos abban, hogy csillagász szeretne lenni, de úgy gondolta, hogy a gyakornoki munka kiváló alkalom lesz annak kipróbálására, hogy milyen is egy csillagászati kutatás. Porcas ki is osztotta a sok szaktudást nem igénylő feladatot: Urry munkája annyi volt, hogy az angliai Jodrell Bank obszervatórium kutatói által észlelt, pontszerű rádióforrásokat igyekezzen lokalizálni a Kaliforniában található Palomar-hegyi csillagvizsgáló optikai felvételein.

Az „ikrek”

Urry munkája során felfigyelt két rádióforrásra, amelyek nagyon közel helyezkedtek el egymáshoz, és rendkívül hasonló kinézetűek is voltak a képeken. Ahogy akkori feljegyzésben olvasható, mindkét objektumot kéknek és csillagszerűnek, illetve 17 magnitúdójával közel egyező fényességűnek látta. A leendő csillagásznak akkor még eszébe sem jutott, hogy talán ugyanarról az égitestről lát két képet. A következő években azonban tapasztalt szakértők is felfigyeltek az objektumok hasonlóságára, és kutatásuk során többek közt Urry feljegyzésére is ráakadtak. Dennis Walsh, Robert Carswell és Ray Weyman távcsöves vizsgálatokkal megerősítették, hogy a két égitest nemcsak látszatra egyezik, hanem sugárzásuk minden hullámhossz-tartományban meglepően hasonló spektrumot mutat. 1979-ben megjelent tanulmányukban már arról írnak, hogy a QSO 0957+561 A/B katalógusjelű objektum nem feltétlenül ikerkvazár, mint azt korábban feltételezték, hanem valószínűleg egyetlen, gravitációslencse-hatásnak kitett objektum kettős képe. Később aztán beigazolódott, hogy valóban erről van szó.

2. oldal

A gravitációs lencsék két dolgot tesznek: megváltoztatják a fény útját és egyben fókuszálják is azt. Amikor a csillagászok egy fényforrást vizsgálnak, rögzítik annak beérkezéskor való irányát is. Amennyiben a fénynyaláb útja menet közben módosult, az irányt egyenesen visszakövetve nem az objektumhoz jutunk, mintha az nem jó helyen lenne az égbolton. Az eltérítés mértéke a lencsehatást kiváltó objektum tömegének függvénye: minél nehezebb égitestről van szó, annál erősebb lesz annak hatása a fényre. Minden tömeggel (vagy energiával) rendelkező objektum módosítja valamennyire a fény útját, a legtöbb esetben ez a hatás azonban annyira apró, hogy nem lehet észrevenni. A világegyetemben azonban óriási tömegekkel és távolságokkal találkozunk, így ha egy kellően fényes égitest − mondjuk egy kvazár vagy egy galaxis − megfelelő távolságra van tőlünk, és vele nagyjából egy irányba egy lencseként szolgálni képes, közbeeső objektum − például egy galaxishalmaz – is akad, az eredeti fényforrás képe többszörösítve jelenítődhet meg a lencse körül. A kép minősége a lencse milyenségétől függ, a galaxisok egy része például jellegzetes ívek formájában bukkan fel a gravitációs lencse körül, de akadnak egészen torzításmentes képek is. Ezen hatások miatt a gravitációs lencséket a természet távcsöveinek is szokás nevezni, hiszen felnagyítják, fókuszálják, és ezáltal könnyebben tanulmányozhatóvá teszik a háttérbeli objektumot.

Fényességváltozások az Einstein-kereszt nevű, a háttérbeli kvazár képét négy példányban megjelenítő formációban

A kivetülő képek további érdekessége, hogy nem feltétlenül azonos állapotokat mutatnak. Mivel a lencséző objektum nem szimmetrikus, és nem feltétlenül esik pontosan az útvonal közepére, az általa eltérített fénysugarak más távolságokat járnak be, így a képek más-más időpontokban ábrázolják a forrásobjektumot. Ezen kívül a pályától függ a képek fényessége is. Az SDSS J2222+2745 esetében a hat kép közül három erősen hajlított pályát járt be, ezért jóval fókuszáltabb, azaz sokkal fényesebb, mint a másik három.

A kvazárok fényessége jelentős változásokat mutat az idők folyamán, így annak megfigyelése révén, hogy ezek a fényváltozások milyen sorrendben jelentkeznek a kivetülő képekben, fontos információk tudhatók meg a lencseként szolgáló galaxishalmaz tömegeloszlásáról is, vagyis a képek tanulmányozása révén maga a lencse is jobban megismerhető.

Napjainkban már bárki segíthet gravitációs lencséket keresni. A Zooniverse legújabb, május óta üzemelő polgári tudományos kezdeményezése, a Space Warps nevű projekt keretében bárki próbára teheti minta- és formafelismerő képességét a Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Sloan Digitális Égboltfelmérési Program) felvételeit vizsgálva. Mivel az ilyesfajta alakzatok és ismétlődések felismerésére még mindig messze az emberi szem a legalkalmasabb eszköz, a kutatók azt remélik, hogy a jelenleg ismert 400 körüli gravitációs lencséhez rövidesen még több hasonló hatású objektum társul a nagyközönség közreműködésének köszönhetően.

Napjaink legtávolabbi ismert galaxisa, a MACS0647-JD katalógusjelű objektum 13,3 milliárd fényévnyire található, vagyis alig 420 millió évvel az ősrobbanás utáni állapotában látjuk. Felfedezése kizárólag annak köszönhetően vált lehetségessé, hogy egy közbeeső, 5 milliárd fényévnyire levő galaxishalmaz jelentősen felerősítette képét. A Space Warps révén tehát bárki segíthet megtalálni a természet ezen rendkívül értékes távcsöveit, hozzájárulva a világegyetem titkainak felderítéséhez.

Az Abell 370 nevű lencséző galaxishalmaz és az általa kreált galaxisívek a Hubble felvételén

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward