Afbeelding tegoed: ESO
Astronomen van de European Southern Observatory hebben een zeer zeldzame zwaartekrachtlens "Einstein ring" gevonden, waarbij het licht van een verre quasar wordt vervormd en vergroot door de zwaartekracht van een dichterbijgelegen sterrenstelsel. De twee objecten zijn zo nauw op elkaar afgestemd dat het beeld van de quasar een ring rond de melkweg vormt vanuit ons uitkijkpunt hier op aarde. Met zorgvuldige metingen kon het team vaststellen dat de quasar 6,3 miljard lichtjaar verwijderd is en dat de melkweg slechts 3,5 miljard lichtjaar verwijderd is, waardoor het de dichtstbijzijnde gravitatielens is die ooit is ontdekt.
Met behulp van de ESO 3,6-meter telescoop in La Silla (Chili) heeft een internationaal team van astronomen [1] een complexe kosmische luchtspiegeling ontdekt in het zuidelijke sterrenbeeld Crater (The Cup). Dit 'zwaartekrachtlens'-systeem bestaat uit (ten minste) vier afbeeldingen van dezelfde quasar en een ringvormig beeld van de melkweg waarin de quasar zich bevindt - bekend als een' Einstein-ring '. Het meer nabije lensstelsel dat deze intrigerende optische illusie veroorzaakt, is ook goed zichtbaar.
Het team heeft spectra van deze objecten verkregen met de nieuwe EMMI-camera, gemonteerd op de ESO 3,5 m New Technology Telescope (NTT), ook op het La Silla-observatorium. Ze vinden dat de lens-quasar [2] zich op een afstand van 6300 miljoen lichtjaar bevindt (de "roodverschuiving" is z = 0,66 [3]) terwijl het elliptische sterrenstelsel met lenzen halverwege tussen de quasar en ons, op een afstand, ruw is. van 3.500 miljoen lichtjaar (z = 0.3).
Het systeem is RXS J1131-1231 genoemd - het is de dichtstbijzijnde tot nu toe ontdekte quasar met zwaartekrachtlens.
Kosmische luchtspiegelingen
Het fysische principe achter een 'zwaartekrachtlens' (ook bekend als een 'kosmische luchtspiegeling') is sinds 1916 bekend als een gevolg van Albert Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie. Het zwaartekrachtveld van een massief object buigt de lokale geometrie van het heelal, zodat lichtstralen die dichtbij het object passeren gebogen zijn (zoals een "rechte lijn" op het aardoppervlak noodzakelijkerwijs gebogen is vanwege de kromming van het aardoppervlak) .
Dit effect werd voor het eerst waargenomen door astronomen in 1919 tijdens een totale zonsverduistering. Nauwkeurige positiemetingen van sterren in de donkere lucht nabij de verduisterde zon duidden op een schijnbare verplaatsing in de richting tegengesteld aan de zon, ongeveer net zoveel als voorspeld door de theorie van Einstein. Het effect is te danken aan de aantrekkingskracht van de stellaire fotonen wanneer ze langs de zon passeren op weg naar ons. Dit was een directe bevestiging van een geheel nieuw fenomeen en het betekende een mijlpaal in de natuurkunde.
In de jaren dertig realiseerde astronoom Fritz Zwicky (1898 - 1974), van Zwitserse nationaliteit en werkzaam bij het Mount Wilson Observatory in Californië, dat hetzelfde effect ook ver in de ruimte kan optreden waar sterrenstelsels en grote sterrenstelsels voldoende compact en massief kunnen zijn om het licht van nog verder weg gelegen objecten te buigen. Maar pas vijf decennia later, in 1979, werden zijn ideeën observerend bevestigd toen het eerste voorbeeld van een kosmische luchtspiegeling werd ontdekt (als twee beelden van dezelfde verre quasar).
Kosmische luchtspiegelingen worden over het algemeen gezien als meerdere beelden van een enkele quasar [2], gelensd door een melkwegstelsel tussen de quasar en ons. Het aantal en de vorm van de afbeeldingen van de quasar hangt af van de relatieve posities van de quasar, het lensstelsel en ons. Bovendien, als de uitlijning perfect was, zouden we ook een ringvormig beeld rond het lensobject zien. Dergelijke "Einstein-ringen" zijn echter zeer zeldzaam en zijn slechts in enkele gevallen waargenomen.
Een ander bijzonder belang van het zwaartekrachtlenseffect is dat het niet alleen kan resulteren in dubbele of meervoudige afbeeldingen van hetzelfde object, maar ook dat de helderheid van deze afbeeldingen aanzienlijk toeneemt, net als bij een gewone optische lens. Verre melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels kunnen daardoor fungeren als "natuurlijke telescopen", waardoor we verder weg gelegen objecten kunnen observeren die anders te zwak zouden zijn geweest om te worden gedetecteerd met de momenteel beschikbare astronomische telescopen.
Beeldverscherpingstechnieken lossen de kosmische luchtspiegeling beter op
Een nieuwe zwaartekrachtlens, RXS J1131-1231 genaamd, werd in mei 2002 toevallig ontdekt door Dominique Sluse, toen een PhD-student bij ESO in Chili, terwijl ze quasarbeelden inspecteerde die met de ESO 3,6-meter telescoop op de La Silla-sterrenwacht waren genomen. De ontdekking van dit systeem heeft geprofiteerd van de goede observatieomstandigheden die ten tijde van de observaties golden. Uit een eenvoudige visuele inspectie van deze afbeeldingen concludeerde Sluse voorlopig dat het systeem vier sterachtige (de lens-quasar-afbeeldingen) en één diffuse (het lensstelsel) component had.
Vanwege de zeer kleine scheiding tussen de componenten, in de orde van grootte van één boogseconde of minder, en het onvermijdelijke "vervagende" effect veroorzaakt door turbulentie in de terrestrische atmosfeer ("zien"), gebruikten de astronomen geavanceerde software voor beeldverscherping om hogere -resolutiebeelden waarop vervolgens nauwkeurige helderheid en positiemetingen kunnen worden uitgevoerd (zie ook ESO PR 09/97). Deze zogenaamde "deconvolution" -techniek maakt het mogelijk om dit complexe systeem veel beter te visualiseren en, in het bijzonder, om de bijbehorende Einstein-ring te bevestigen en opvallender te maken, cf. PR Foto 20a / 03.
Identificatie van de bron en van de lens
Het team van astronomen [1] gebruikte vervolgens de ESO 3,5 m New Technology Telescope (NTT) in La Silla om spectra te verkrijgen van de afzonderlijke beeldcomponenten van dit lenssysteem. Dit is noodzakelijk omdat, net als menselijke vingerafdrukken, de spectra een eenduidige identificatie van de waargenomen objecten mogelijk maken.
Desalniettemin is dit geen gemakkelijke taak omdat de verschillende beelden van de kosmische luchtspiegeling zich heel dicht bij elkaar in de lucht bevinden en de best mogelijke omstandigheden nodig zijn om schone en goed gescheiden spectra te verkrijgen. De uitstekende optische kwaliteit van de NTT in combinatie met redelijk goede kijkomstandigheden (ongeveer 0,7 boogseconde) stelde de astronomen echter in staat om de "spectrale vingerafdrukken" van zowel de bron als het object dat als lens fungeerde te detecteren, vgl. ESO PR Photo 20b / 03.
Uit de evaluatie van de spectra bleek dat de achtergrondbron een quasar is met een roodverschuiving van z = 0,66 [3], wat overeenkomt met een afstand van ongeveer 6,300 miljoen lichtjaar. Het licht van deze quasar wordt door een enorm elliptisch sterrenstelsel met een roodverschuiving z = 0,3 belicht, d.w.z. op een afstand van 3.500 miljoen lichtjaar of ongeveer halverwege tussen de quasar en ons. Het is de dichtstbijzijnde tot nu toe bekende quasar met zwaartekrachtlens.
Vanwege de specifieke geometrie van de lens en de positie van het lensstelsel, is het mogelijk om aan te tonen dat het licht van het uitgestrekte sterrenstelsel waarin de quasar zich bevindt ook moet worden gelensd en zichtbaar moet worden als een ringvormig beeld. Dat dit inderdaad het geval is, wordt aangetoond door PR Photo 20a / 03, die duidelijk de aanwezigheid laat zien van zo'n "Einstein-ring", die het beeld van het meer nabije lensstelsel omringt.
Micro-lensing binnen macro-lensing?
De specifieke configuratie van de individuele lensbeelden die in dit systeem zijn waargenomen, heeft de astronomen in staat gesteld een gedetailleerd model van het systeem te produceren. Hieruit kunnen ze vervolgens voorspellingen doen over de relatieve helderheid van de verschillende lensbeelden.
Enigszins onverwacht ontdekten ze dat de voorspelde helderheden van de drie helderste sterachtige beelden van de quasar niet overeenkomen met de waargenomen beelden - een ervan blijkt een magnitude (dat wil zeggen een factor van 2,5) helderder te zijn dan verwacht . Deze voorspelling stelt de algemene relativiteitstheorie niet ter discussie, maar suggereert dat in dit systeem een ander effect aan het werk is.
De hypothese van het team is dat een van de afbeeldingen onderhevig is aan "microlensing". Dit effect is van dezelfde aard als de kosmische luchtspiegeling - er worden meerdere versterkte beelden van het object gevormd - maar in dit geval wordt extra lichtstraalafbuiging veroorzaakt door een enkele ster (of meerdere sterren) in het lensstelsel. Het resultaat is dat er extra (onopgeloste) afbeeldingen van de quasar zijn binnen een van de macro-lensafbeeldingen.
Het resultaat is een "overversterking" van dit specifieke beeld. Of dit werkelijk zo is, zal binnenkort worden getest door middel van nieuwe waarnemingen van dit zwaartekrachtlenssysteem met de ESO Very Large Telescope (VLT) in Paranal (Chili) en ook met de Very Large Array (VLA) -radio-observatorium in New Mexico (VS) ).
Outlook
Tot nu toe zijn 62 multiple-image quasars ontdekt, in de meeste gevallen met 2 of 4 afbeeldingen van dezelfde quasar. De aanwezigheid van langwerpige beelden van de quasar en in het bijzonder van ringachtige beelden wordt vaak waargenomen bij radiogolflengten. Dit blijft echter een zeldzaam fenomeen in het optische domein - tot nu toe zijn slechts vier van dergelijke systemen in beeld gebracht door optische / infraroodtelecopen.
Het complexe en relatief heldere systeem RXS J1131-1231 dat nu is ontdekt, is een uniek astrofysisch laboratorium. Zijn zeldzame eigenschappen (bv. Helderheid, aanwezigheid van een ringvormig beeld, kleine roodverschuiving, röntgen- en radio-emissie, zichtbare lens, ...) zullen de astronomen nu in staat stellen de eigenschappen van het lensstelsel te bestuderen, inclusief het stellaire gehalte, structuur en massaverdeling tot in detail, en om de bronmorfologie te onderzoeken. Deze studies zullen gebruik maken van nieuwe waarnemingen die momenteel worden verkregen met de VLT in Paranal, met de VLA-radio-interferometer in New Mexico en met de Hubble-ruimtetelescoop.
Meer informatie
Het onderzoek dat in dit persbericht wordt beschreven, wordt gepresenteerd in een brief aan de redacteur, die binnenkort verschijnt in het Europese vakblad Astronomy & Astrophysics ("Een quadruly imaged quasar met een optische Einstein-ringkandidaat: 1RXS J113155.4-123155", door Dominique Sluse et al.).
Meer informatie over zwaartekrachtlensing en over deze onderzoeksgroep is ook te vinden op de URL: http://www.astro.ulg.ac.be/GRech/AEOS/.
Opmerkingen
[1]: Het team bestaat uit Dominique Sluse, Damien Hutsem? Kers en Thodori Nakos (ESO en Institut d'Astrophysique et de G? Ophysique de l'Universit? De Li? Ge - IAGL), Jean-Fran? Ois Claeskens , Fr? D? Ric Courbin, Christophe Jean en Jean Surdej (IAGL), Malvina Billeres (ESO) en Sergiy Khmil (Astronomical Observatory of Shevchentko University).
[2]: Quasars zijn bijzonder actieve sterrenstelsels, waarvan de centra enorme hoeveelheden energie en energetische deeltjes uitstoten. Er wordt aangenomen dat ze een enorm zwart gat in hun midden hebben en dat de energie wordt geproduceerd wanneer de omliggende materie in dit zwarte gat valt. Dit type object werd in 1963 voor het eerst ontdekt door de Nederlands-Amerikaanse astronoom Maarten Schmidt van het Palomar Observatory (Californië, VS) en de naam verwijst naar hun 'sterachtige' uiterlijk op de toen verkregen beelden.
[3]: In de astronomie duidt de "roodverschuiving" de fractie aan waarmee de lijnen in het spectrum van een object naar langere golflengten worden verschoven. Aangezien de roodverschuiving van een kosmologisch object toeneemt met de afstand, geeft de waargenomen roodverschuiving van een afgelegen sterrenstelsel ook een schatting van de afstand.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
