Ο νυχτερινός ουρανός έχει από καιρό προσελκύσει και εντυπωσιάζει ένα άτομο με πολλά αστέρια. Ένα ερασιτεχνικό τηλεσκόπιο μπορεί να δει μια πολύ μεγαλύτερη ποικιλία αντικειμένων στο βαθύ διάστημα - μια πληθώρα σμηνών, σφαιρικών και διάσπαρτων, νεφελωμάτων και κοντινών γαλαξιών. Υπάρχουν όμως εξαιρετικά θεαματικά και ενδιαφέροντα φαινόμενα που μόνο ισχυρά αστρονομικά όργανα μπορούν να ανιχνεύσουν. Μεταξύ αυτών των θησαυρών του σύμπαντος είναι τα γεγονότα του βαρυτικού φακού, και μεταξύ αυτών είναι οι λεγόμενοι σταυροί του Αϊνστάιν. Τι είναι, θα μάθουμε σε αυτό το άρθρο.
Διαστημικοί φακοί
Ένας βαρυτικός φακός δημιουργείται από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο ενός αντικειμένου με σημαντική μάζα (για παράδειγμα, ένας μεγάλος γαλαξίας), που πιάστηκε κατά λάθος μεταξύ του παρατηρητή και κάποιας μακρινής πηγής φωτός - ενός κβάζαρ, ενός άλλου γαλαξία ή ενός φωτεινού σουπερνόβα.
Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν θεωρεί τα βαρυτικά πεδία ως παραμορφώσεις του χωροχρονικού συνεχούς. Αντίστοιχα, οι γραμμές κατά τις οποίες διαδίδονται οι ακτίνες φωτός στα συντομότερα χρονικά διαστήματα (γεωδαισιακές γραμμές) είναι επίσηςείναι λυγισμένα. Ως αποτέλεσμα, ο παρατηρητής βλέπει την εικόνα της πηγής φωτός παραμορφωμένη με συγκεκριμένο τρόπο.
Τι είναι ο "σταυρός του Αϊνστάιν";
Η φύση της παραμόρφωσης εξαρτάται από τη διαμόρφωση του βαρυτικού φακού και τη θέση του σε σχέση με τη γραμμή όρασης που συνδέει την πηγή και τον παρατηρητή. Εάν ο φακός είναι αυστηρά συμμετρικός στην εστιακή γραμμή, η παραμορφωμένη εικόνα αποδεικνύεται ότι έχει σχήμα δακτυλίου, εάν το κέντρο συμμετρίας μετατοπίζεται σε σχέση με τη γραμμή, τότε ένας τέτοιος δακτύλιος Αϊνστάιν μπορεί να χωριστεί σε τόξα.
Με μια αρκετά ισχυρή μετατόπιση, όταν οι αποστάσεις που καλύπτονται από το φως διαφέρουν σημαντικά, ο φακός σχηματίζει εικόνες πολλαπλών κουκκίδων. Ο σταυρός του Αϊνστάιν, προς τιμήν του συγγραφέα της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, στο πλαίσιο της οποίας είχαν προβλεφθεί φαινόμενα αυτού του είδους, ονομάζεται η τετραπλή εικόνα της πηγής με φακό.
Κβάζαρ σε τέσσερα πρόσωπα
Ένα από τα πιο «φωτογενή» τετραπλά αντικείμενα είναι το κβάζαρ QSO 2237+0305 που ανήκει στον αστερισμό του Πήγασου. Είναι πολύ μακριά: το φως που εκπέμπεται από αυτό το κβάζαρ ταξίδεψε περισσότερα από 8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν χτυπήσει τους φακούς κάμερας επίγειων και διαστημικών τηλεσκοπίων. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη σε σχέση με αυτόν τον Σταυρό του Αϊνστάιν ότι αυτό είναι ένα σωστό όνομα, αν και ανεπίσημο, και γράφεται με κεφαλαίο γράμμα.
Στο επάνω μέρος της φωτογραφίας είναι ο Σταυρός του Αϊνστάιν. Το κεντρικό σημείο είναι ο πυρήνας του γαλαξία φακού. Η φωτογραφία τραβήχτηκε από το διάστηματο τηλεσκόπιο Hubble.
Ο γαλαξίας ZW 2237+030, που λειτουργεί ως φακός, είναι 20 φορές πιο κοντά από το ίδιο το κβάζαρ. Είναι ενδιαφέρον ότι λόγω του πρόσθετου εφέ φακού που παράγεται από μεμονωμένα αστέρια, και πιθανώς αστρικά σμήνη ή τεράστια σύννεφα αερίου και σκόνης στη σύνθεσή του, η φωτεινότητα καθενός από τα τέσσερα συστατικά υφίσταται σταδιακές και ανομοιόμορφες αλλαγές.
Ποικιλία σχημάτων
Ίσως δεν είναι λιγότερο όμορφο το κβάζαρ HE 0435-1223 με σταυροειδείς φακούς, σχεδόν στην ίδια απόσταση με το QSO 2237+0305. Ο βαρυτικός φακός, λόγω ενός εντελώς τυχαίου συνόλου περιστάσεων, καταλαμβάνει μια τέτοια θέση εδώ που και οι τέσσερις εικόνες του κβάζαρ βρίσκονται σχεδόν ομοιόμορφα, σχηματίζοντας έναν σχεδόν κανονικό σταυρό. Αυτό το εξαιρετικά θεαματικό αντικείμενο βρίσκεται στον αστερισμό της Ηριδανής.
Και επιτέλους μια ειδική περίσταση. Οι αστρονόμοι είχαν την τύχη να απαθανατίσουν σε μια φωτογραφία πώς ένας ισχυρός φακός - ένας γαλαξίας σε ένα τεράστιο σμήνος στο προσκήνιο - μεγάλωσε οπτικά όχι ένα κβάζαρ, αλλά μια έκρηξη σουπερνόβα. Η μοναδικότητα αυτού του γεγονότος είναι ότι ένα σουπερνόβα, σε αντίθεση με ένα κβάζαρ, είναι ένα βραχυπρόθεσμο φαινόμενο. Η έκρηξη, που ονομάστηκε σουπερνόβα Refsdal, συνέβη σε έναν μακρινό γαλαξία πριν από περισσότερα από 9 δισεκατομμύρια χρόνια.
Λίγο καιρό αργότερα, στον σταυρό του Αϊνστάιν, που ενίσχυσε και πολλαπλασίασε την αρχαία αστρική έκρηξη, λίγο πιο μακριά, προστέθηκε άλλη μια πέμπτη εικόνα, καθυστερημένη λόγω των ιδιαιτεροτήτων της δομής του φακού και, παρεμπιπτόντως, προβλεπότανεκ των προτέρων.
Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε το «πορτρέτο» του σουπερνόβα Refsdal, πολλαπλασιασμένο με τη βαρύτητα.
Επιστημονική σημασία του φαινομένου
Φυσικά, ένα φαινόμενο όπως ο σταυρός του Αϊνστάιν δεν παίζει μόνο αισθητικό ρόλο. Η ύπαρξη αντικειμένων αυτού του είδους είναι απαραίτητη συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας και η άμεση παρατήρησή τους είναι μια από τις πιο προφανείς επιβεβαιώσεις της εγκυρότητάς της.
Μαζί με άλλες επιπτώσεις του βαρυτικού φακού, προσελκύουν την προσοχή των επιστημόνων. Οι σταυροί και οι δακτύλιοι του Αϊνστάιν καθιστούν δυνατή τη μελέτη όχι μόνο τέτοιων μακρινών πηγών φωτός που δεν μπορούσαν να φανούν απουσία φακών, αλλά και τη δομή των ίδιων των φακών - για παράδειγμα, την κατανομή της σκοτεινής ύλης στα σμήνη γαλαξιών.
Η μελέτη άνισα στοιβαγμένων εικόνων με φακούς κβάζαρ (συμπεριλαμβανομένων των σταυροειδών) μπορεί επίσης να βοηθήσει στη βελτίωση άλλων σημαντικών κοσμολογικών παραμέτρων, όπως η σταθερά Hubble. Αυτοί οι δακτύλιοι και οι σταυροί του Αϊνστάιν με ακανόνιστο σχήμα σχηματίζονται από ακτίνες που έχουν διανύσει διαφορετικές αποστάσεις σε διαφορετικούς χρόνους. Επομένως, μια σύγκριση της γεωμετρίας τους με τις διακυμάνσεις της φωτεινότητας καθιστά δυνατή την επίτευξη μεγάλης ακρίβειας στον προσδιορισμό της σταθεράς Hubble και ως εκ τούτου της δυναμικής του Σύμπαντος.
Με μια λέξη, τα εκπληκτικά φαινόμενα που δημιουργούνται από τους βαρυτικούς φακούς δεν είναι μόνο ευχάριστα στο μάτι, αλλά παίζουν επίσης σοβαρό ρόλο στις σύγχρονες διαστημικές επιστήμες.
