Galaxy Cluster Abell 2218 vervormt het licht van verschillende verder weg gelegen sterrenstelsels. Afbeelding tegoed: ESO. Klik om te vergroten.
Vijftig jaar na zijn dood biedt het werk van Albert Einstein nog steeds nieuwe hulpmiddelen om ons universum te begrijpen. Een internationaal team van astronomen heeft nu een fenomeen gebruikt dat voor het eerst werd voorspeld door Einstein in 1936, zwaartekrachtslens genoemd, om de vorm van sterren te bepalen. Dit fenomeen, als gevolg van het effect van zwaartekracht op lichtstralen, leidde tot de ontwikkeling van technieken voor zwaartekrachtoptica, waaronder zwaartekracht-microlensing. Het is voor het eerst dat deze bekende techniek is gebruikt om de vorm van een ster te bepalen.
De meeste sterren aan de hemel zijn puntvormig, waardoor het erg moeilijk is om hun vorm te evalueren. Recente vooruitgang in optische interferometrie heeft het mogelijk gemaakt om de vorm van een paar sterren te meten. In juni 2003 bleek de ster Achernar (Alpha Eridani) de platste ster ooit te zijn, met behulp van waarnemingen van de Very Large Telescope Interferometer (zie ESO-persbericht voor details over deze ontdekking). Tot nu toe zijn slechts enkele metingen van de stervorm gerapporteerd, mede vanwege de moeilijkheid om dergelijke metingen uit te voeren. Het is echter belangrijk om verdere nauwkeurige bepalingen van de stellaire vorm te verkrijgen, aangezien dergelijke metingen helpen om theoretische stellaire modellen te testen.
Voor het eerst paste een internationaal team van astronomen [1], onder leiding van N.J. Rattenbury (van Jodrell Bank Observatory, VK), zwaartekrachtlenstechnieken toe om de vorm van een ster te bepalen. Deze technieken zijn gebaseerd op de zwaartekrachtbuiging van lichtstralen. Als licht afkomstig van een heldere bron dichtbij een massief object op de voorgrond komt, worden de lichtstralen gebogen en wordt het beeld van de heldere bron gewijzigd. Als het voorgrond-massieve object (de ‘lens’) puntvormig is en perfect is uitgelijnd met de aarde en de heldere bron, zal het gewijzigde beeld, gezien vanaf de aarde, een ringvorm zijn, de zogenaamde ‘Einstein-ring’. De meeste echte gevallen verschillen echter van deze ideale situatie en het geobserveerde beeld wordt op een meer gecompliceerde manier gewijzigd. De onderstaande afbeelding toont een voorbeeld van zwaartekrachtlensing door een enorme cluster van sterrenstelsels.
Gravitational microlensing, zoals gebruikt door Rattenbury en zijn collega's, is ook afhankelijk van de afbuiging van lichtstralen door zwaartekracht. Gravitational microlensing is de term die wordt gebruikt om gravitational lensing events te beschrijven waarbij de lens niet massief genoeg is om oplosbare beelden van de achtergrondbron te produceren. Het effect kan nog steeds worden gedetecteerd omdat de vervormde beelden van de bron helderder zijn dan de niet-gelichte bron. Het waarneembare effect van gravitationele microlensing is daarom een tijdelijke schijnbare vergroting van de achtergrondbron. In sommige gevallen kan het microlensingseffect de helderheid van de achtergrondbron met een factor tot 1000 verhogen. Zoals Einstein al opmerkte, zijn de uitlijningen die nodig zijn om het microlensingseffect waar te nemen zeldzaam. Aangezien alle sterren in beweging zijn, is het effect bovendien van voorbijgaande aard en niet herhalend. Microlensing-gebeurtenissen treden op in tijdschema's van weken tot maanden en vereisen langdurige onderzoeken. Dergelijke enquêteprogramma's bestaan al sinds de jaren negentig. Tegenwoordig werken er twee onderzoeksteams: een samenwerking tussen Japan en Nieuw-Zeeland, bekend als MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) en een samenwerking tussen Polen en Princeton, bekend als OGLE (Optical Gravitational Lens Experiment). Het MOA-team observeert vanuit Nieuw-Zeeland en het OGLE-team uit Chili. Ze worden ondersteund door twee vervolgnetwerken, MicroFUN en PLANET / RoboNET, die ongeveer een dozijn telescopen over de hele wereld bedienen.
De microlensingstechniek is toegepast om te zoeken naar donkere materie rond onze Melkweg en andere sterrenstelsels. Deze techniek is ook gebruikt om planeten rond andere sterren te detecteren. Voor het eerst konden Rattenbury en zijn collega's met deze techniek de vorm van een ster bepalen. De microlensing-gebeurtenis die werd gebruikt, werd in juli 2002 gedetecteerd door de MOA-groep. Het evenement heet MOA 2002-BLG-33 (hierna MOA-33). Door de waarnemingen van dit evenement door vijf telescopen op de grond te combineren met HST-beelden, voerden Rattenbury en zijn collega's een nieuwe analyse van dit evenement uit.
De lens van gebeurtenis MOA-33 was een dubbelster, en zulke dubbelstersystemen produceren microlenserende lichtkrommen die veel informatie kunnen verschaffen over zowel de bron- als lenssystemen. De specifieke geometrie van de waarnemer, lens en bronsystemen tijdens de MOA-33 microlensing-gebeurtenis betekende dat de waargenomen tijdsafhankelijke vergroting van de bronster erg gevoelig was voor de werkelijke vorm van de bron zelf. De vorm van de bronster bij microlensingsgebeurtenissen wordt gewoonlijk verondersteld bolvormig te zijn. Door parameters in te voeren die de vorm van de bronster in de analyse beschrijven, kon de vorm van de bronster worden bepaald.
Rattenbury en zijn collega's schatten dat de MOA-33-achtergrondster enigszins langwerpig is, met een verhouding tussen de polaire en equatoriale straal van 1,02 -0,02 / + 0,04. Gezien de onzekerheden van de meting kan een cirkelvorm van de ster echter niet volledig worden uitgesloten. In de onderstaande afbeelding wordt de vorm van de MOA-33-achtergrondster vergeleken met die van recent gemeten voor Altair en Achernar. Hoewel zowel Altair als Achernar slechts een paar parsecs van de aarde verwijderd zijn, is de MOA-33-achtergrondster een verder weg staande ster (ongeveer 5000 parsecs van de aarde). Interferometrische technieken kunnen namelijk alleen worden toegepast op heldere (dus nabije) sterren. Integendeel, de microlensingstechniek maakt het mogelijk om de vorm van veel verder weg gelegen sterren te bepalen. Inderdaad, er is momenteel geen alternatieve techniek om de vorm van verre sterren te meten.
Deze techniek vereist echter zeer specifieke (en zeldzame) geometrische configuraties. Uit statistische overwegingen schatte het team dat ongeveer 0,1% van alle gedetecteerde microlensing-gebeurtenissen de vereiste configuraties zullen hebben. Elk jaar worden ongeveer 1000 microlensing-gebeurtenissen waargenomen. Ze zouden in de nabije toekomst nog talrijker moeten worden. De MOA-groep stelt momenteel een nieuwe door Japan geleverde 1.8m breedveldtelescoop in gebruik die gebeurtenissen met een hogere snelheid zal detecteren. Ook overweegt een door de VS geleide groep plannen voor een ruimtevaartmissie genaamd Microlensing Planet Finder. Dit is ontworpen om een telling te geven van alle soorten planeten in de Melkweg. Als bijproduct zou het ook gebeurtenissen zoals MOA-33 detecteren en informatie geven over de vormen van sterren.
Oorspronkelijke bron: Jodrell Bank Observatory
