Acum o sută de ani, Albert Einstein a introdus un mod nou de a gândi radical asupra forței gravitației. Teoria sa generală a relativității a susținut că spațiul nu este o arenă goală în care se joacă evenimentele universului - ci un participant activ la acele evenimente.
Potrivit relativității generale, orice lucru care are masă - o stea, o planetă, o vidră - denaturează spațiul din jurul său, determinându-l să se curbe. Materia curbește spațiul, iar acea curbură spune altei materii cum să vă mișcați. Noi, oamenii, suntem rău echipate să ne imaginăm un spațiu tridimensional curbat, așa că iată o analogie bidimensională: dacă o bilă grea este plasată pe o trambulină, suprafața trambulinei se va îndoi. Dacă apoi rotiți marmurele pe suprafața trambulinei, traseele lor vor fi curbate. Este o analogie imperfectă, dar transmite ideea generală. Acest principiu este motivul pentru care Pământul urmează o cale curbă în jurul Soarelui și Luna urmează o cale curbă în jurul Pământului.
O caracteristică cheie a relativității generale este că curbura spațiului afectează calea luminii, precum și materia. Acest efect este cunoscut sub numele de „lentile gravitaționale”. Acesta se dovedește a fi diferit de modul în care lumina se comportă sub gravitația newtoniană, astfel încât o utilizare imediată a lentilelor gravitaționale este de a testa dacă relativitatea generală este reală. De asemenea, se dovedește a fi extrem de util pentru studierea celor mai îndepărtate colțuri ale universului, deoarece provoacă mărirea imaginilor galaxiilor îndepărtate.
Cum funcționează lentilele gravitaționale? Dacă lumina care călătorește spre noi de la o stea îndepărtată trece pe lângă un alt obiect masiv - să zicem, o altă stea sau galaxie - acea lumină este deviată și calea ei este modificată. Când acea lumină ajunge pe Pământ, ea pare să vină dintr-o altă direcție decât calea sa inițială. Vedem steaua fiind într-o poziție diferită pe cer decât în cazul în care este situată de fapt. Această mișcare aparentă a stelei de fundal este exact dublă față de ceea ce ați vedea în gravitația newtoniană; prin urmare, oferă o modalitate simplă de a testa teoria lui Einstein.
Pentru a măsura cât de mult s-a mișcat imaginea unei stele, trebuie să o puteți observa atât înainte cât și după ce lumina ei este deviată de masa intervenientă. De obicei, nu avem opțiunea de a ne îndepărta suficient de departe de Pământ pentru a vedea stele îndepărtate din două unghiuri diferite, dar putem profita de faptul că ne mișcăm în jurul soarelui.
Dacă observăm o stea în partea opusă a cerului de la soare, vedem poziția sa „adevărată”. Șase luni mai târziu, steaua va fi în aceeași parte a cerului ca soarele, iar apoi putem măsura cât de mult este deviată lumina stelei de masa soarelui. De obicei, nu putem observa stelele când sunt aproape de soare, deoarece este ziua când soarele este sus. Dar în anumite circumstanțe, putem. Există un moment în care soarele este sus, dar lumina soarelui este blocată: o eclipsă totală de solar.
În mai 1919, astronomii au ajuns să vadă o eclipsă solară care era vizibilă din părți din Africa și America de Sud. Pentru a maximiza șansele de a observa eclipsa cu succes, două echipe au fost trimise pentru a o observa: una în Brazilia și una, condusă de Sir Arthur Eddington, pe insula Principe în largul coastei Africii de Vest. În ciuda acoperirii parțiale a norului, echipa lui Eddington a avut succes. Deflexiunea luminii pe care o măsurau de la stelele din clusterul Hyades se potrivea perfect cu teoria lui Einstein.
În timpul eclipsei totale din 29 mai 1919, Sir Arthur Eddington (dreapta) a confirmat teoria generală a relativității a lui Einstein calculând devierea luminii stelare lângă soare. (AKG) Această descoperire a fost de moment. "LUMINILE TOTUL ASCURS ÎN CĂTRE MARE. TRIUMFURI TEORICE EINSTEIN", a proclamat New York Times. (A adăugat: „Oameni de știință mai mult sau mai puțin agog peste rezultatele observațiilor din Eclipse.”) Confirmarea a oferit un moment de unitate într-o lume sfâșiată de război; după cum a menționat fizicianul JP McEvoy în cartea sa din 1999, Eclipse, „o nouă teorie a universului, creierul unui evreu german care lucra la Berlin, a fost confirmată de un Quaker englez de pe o mică insulă africană”.
Abia în 1936, un astronom elvețian pe nume Fritz Zwicky și-a dat seama de potențialul lentilelor gravitaționale ca instrument de a studia universul dincolo de cartierul nostru stelar. Atunci când calculează masele de grupuri de galaxii - cunoscute la acea vreme ca nebuloase extragalactice - Zwicky a remarcat că există o șansă bună ca galaxiile mai îndepărtate situate în spatele lor să aibă lumina deviată pe măsură ce trecea prin aceste grupuri. În 1937, el a scris că acest efect „ne-ar permite să vedem nebuloase la distanțe mai mari decât cele obișnuite până și de cele mai mari telescoape”.
Cheia acestui concept este o caracteristică a lentilelor gravitaționale care o face incredibil de utilă: Lumina care altfel ar fi îndreptată departe de noi este întoarsă în direcția noastră, ceea ce înseamnă că vedem mai multă lumină din surse cu lentile decât noi. Cu alte cuvinte, se măresc galaxii îndepărtate care se întind în spatele obiectelor masive. Și având în vedere că grupurile de galaxii sunt cele mai masive structuri din univers, ele sunt cele mai bune lupte pe care natura le poate oferi.
Timp de aproape 50 de ani, sugestia lui Zwicky a primit puțină atenție. Galaxiile potențiale cu lentile au fost, până la urmă, prea slabe pentru a fi văzute. Acest lucru s-a schimbat în anii 1980, când dezvoltarea primelor dispozitive de imagistică digitală a înlocuit plăcile fotografice și a crescut dramatic sensibilitatea telescoapelor la surse slabe.
În 1986, un arc extins dramatic a fost descoperit în clusterul galaxiei Abell 370. Arcul lung și roșu din această imagine s-a dovedit a fi de două ori mai departe decât clusterul în sine: este o galaxie de fundal - o spirală la fel ca Calea Lactee - a cărui lumină a fost distorsionată de masa clusterului, întinzând-o în acest enorm arc. Un deceniu mai târziu, o altă galaxie cu lentile a înregistrat recordul pentru cel mai îndepărtat obiect cunoscut, prima dată din anii '60, când o galaxie obișnuită - nu un quasar, cele mai strălucitoare obiecte din univers - a deținut această înregistrare.
Această imagine a telescopului spațial Hubble cu expunere îndelungată a clusterului masiv de galaxie Abell 2744 (prim-plan) este cea mai adâncă realizată vreodată din orice grup de galaxii. (NASA / ESA) În 2009, lansarea Telescopului Spațial Hubble (HST) a furnizat cele mai sensibile imagini obținute vreodată din universul îndepărtat, iar misiunea sa finală de serviciu a adăugat o nouă cameră cu infraroșu extrem de sensibilă. În prezent, cu Hubble este un nou program care promite să împingă limitele privirii noastre în univers și mai departe: programul Hubble Frontier Fields.
Ideea din spatele acestui program este de a face observații incredibil de profunde care dezvăluie cele mai slabe, cele mai îndepărtate galaxii - dar care vizează strategic grupări de galaxii, astfel încât să beneficieze de efectul de mărire al lentilelor gravitaționale. Programul va acoperi șase grupări masive de galaxii în total, dintre care cinci au fost finalizate până în prezent. Omul de știință principal al proiectului Frontier Fields, Jen Lotz, a descris-o drept „cea mai profundă viziune a universului luat vreodată”.
„Frontier Fields este un experiment”, spune Matt Mountain, președintele Asociației Universităților pentru Cercetări în Astronomie (AURA) și fost director al Institutului de Știință al Telescopului Spațial care operează Hubble. Întrebarea de bază a experimentului: „Putem folosi calitatea rafinată a imaginii lui Hubble și teoria Relativității Generale a lui Einstein pentru a căuta primele galaxii?”
Analiza preliminară a primelor câmpuri de frontieră a început deja să ofere o bogată perspectivă asupra universului timpuriu. Departe în spatele primului grup, Abell 2744, am găsit imagini magnificate ale unui grup de galaxii din universul timpuriu - la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang - care pot fi în proces de formare a unui grup propriu.
Studiul atent al imaginilor Frontier Fields dezvăluie galaxii mărită de 50 de ori sau mai mult prin lentile gravitaționale. Acestea sunt unele dintre cele mai slabe galaxii văzute vreodată în universul timpuriu. Cel mai mic dintre aceștia va deveni ceva precum piticul Fornax, o galaxie minusculă care orbitează Calea Lactee și este aproximativ o mie din masa sa. Deși acest lucru este minunat după standardele galaxiei, învățăm de la Frontier Fields că în universul timpuriu existau un număr imens de galaxii mici. Atât de mulți, de fapt, încât împreună au putut fi responsabili pentru cea mai mare parte a energiei din primele miliarde de ani ale universului.
Limita cât de departe în trecut putem vedea este stabilită de capacitățile telescopului spațial Hubble. Primele galaxii și-au schimbat lumina până acum în infraroșu prin extinderea spațiului pe care Hubble nu le poate vedea. Toate acestea se vor schimba în 2018, atunci când succesorul lui Hubble, Telescopul spațial James Webb, se lansează în 2018. Cu o oglindă mai mare și camere mai sensibile, care se pot vedea mai departe în infraroșu, Webb ne va permite să privim și mai departe în trecut și să vizualizați chiar și galaxii slabe. Arătând Webb spre grupuri de galaxii și folosind lentila gravitațională în avantajul nostru, putem împinge aceste limite mai departe.
În doar câțiva ani, este posibil să ne uităm la primele galaxii care s-au format vreodată.
