Afbeelding tegoed: SDSS
Zwaartekrachtlensing vindt plaats wanneer het licht van een ver verwijderd object, zoals een quasar, wordt vervormd door de zwaartekracht van een dichterbijgelegen object. Astronomen hebben zo'n lens ontdekt, waar de vervormingen zo groot zijn dat ze moeten worden veroorzaakt door een aanzienlijke hoeveelheid donkere materie - het zichtbare materiaal alleen kan niet verantwoordelijk zijn. Donkere materie wordt voorspeld door zijn zwaartekrachtinvloed op sterrenstelsels en sterren in het heelal, maar tot nu toe weten astronomen niet precies wat het is; of het gewoon gewone materie is die te koud is om vanaf de aarde te zien, of een soort exotisch deeltje.
Wetenschappers van Sloan Digital Sky Survey hebben een quasar met zwaartekrachtlens ontdekt die de grootste scheiding ooit heeft geregistreerd, en, in tegenstelling tot de verwachtingen, hebben ze ontdekt dat vier van de verste, meest lichtgevende quasars die we kennen, niet door zwaartekracht zijn gelensd.
De theorie van algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt dat de zwaartekracht van een massief lichaam als lens kan fungeren en het licht van een ver verwijderd object kan buigen en vervormen. Een massieve structuur ergens tussen een verre quasar en de aarde kan het licht van een quasar "lensen", waardoor het beeld aanzienlijk helderder wordt en meerdere afbeeldingen van één object worden geproduceerd.
In een paper gepubliceerd in de editie van 18/25 december van NATURE magazine, meldt een Sloan Digital Sky Survey (SDSS) -team onder leiding van de afgestudeerde studenten van de Universiteit van Tokio Naohisa Inada en Masamune Oguri dat vier quasars in de buurt in feite het licht zijn van één quasar opgesplitst in vier afbeeldingen door gravitationele lensing.
Sinds het eerste exemplaar in 1979 werd gevonden, zijn er meer dan 80 quasars met zwaartekrachtlens ontdekt. Een tiental van de gecatalogiseerde lensquasars zijn SDSS-ontdekkingen, waarvan de helft het resultaat is van het werk van Inada en zijn team.
Maar wat deze laatste bevinding zo dramatisch maakt, is dat de scheiding tussen de vier afbeeldingen twee keer zo groot is als die van eerder bekende gravitatie-lens-quasar. Tot de ontdekking van deze quasar met viervoudige lens was de grootste scheiding die bekend is in een quasar met gravitatie lens 7 boogseconden. De quasar gevonden door het SDSS-team ligt in het sterrenbeeld Leo Minor; het bestaat uit vier afbeeldingen gescheiden door 14,62 boogseconden.
Om zo'n grote scheiding te produceren, moet de materieconcentratie die aanleiding geeft tot de lensing bijzonder hoog zijn. Op de voorgrond van deze zwaartekrachtlens bevindt zich een cluster van sterrenstelsels; de donkere materie die bij de cluster hoort, moet verantwoordelijk zijn voor de ongekende grote scheiding.
"Aanvullende waarnemingen verkregen met de Subaru 8,2-meter telescoop en de Keck-telescoop bevestigden dat dit systeem inderdaad een zwaartekrachtlens is", legt Inada uit. "Quasars die zo veel worden gesplitst door gravitatielensvorming, worden voorspeld als zeer zeldzaam en kunnen daarom alleen worden ontdekt in zeer grote onderzoeken zoals de SDSS."
Oguri voegde toe: “Het ontdekken van zo'n brede zwaartekrachtlens uit meer dan 30.000 tot nu toe onderzochte SDSS-quasars is perfect in overeenstemming met de theoretische verwachtingen van modellen waarin het universum wordt gedomineerd door koude donkere materie. Dit biedt extra sterk bewijs voor dergelijke modellen. ” (Koude donkere materie, in tegenstelling tot hete donkere materie, vormt strakke klonten, het soort dat dit soort zwaartekrachtlens veroorzaakt.)
"De zwaartekrachtlens die we hebben ontdekt, is een ideaal laboratorium om de relatie tussen zichtbare objecten en onzichtbare donkere materie in het universum te verkennen", legt Oguri uit.
In een tweede paper dat in maart 2004 in het Astronomical Journal verscheen, gebruikte een team onder leiding van Gordon Richards van de Princeton University de hoge resolutie van de Hubble-ruimtetelescoop om vier van de verste bekende quasars die door SDSS zijn ontdekt, te onderzoeken op tekenen van zwaartekrachtlensing .
Kijken naar grote afstanden in de astronomie is terugkijken in de tijd. Deze quasars worden gezien in een tijd dat het universum minder dan 10 procent van zijn huidige leeftijd was. Deze quasars zijn enorm lichtgevend en men denkt dat ze worden aangedreven door enorme zwarte gaten met een massa die miljarden keer zo groot is als die van de zon. De onderzoekers zeiden dat het een echt mysterie is hoe zulke enorme zwarte gaten zich zo vroeg in het universum hadden kunnen vormen. Maar als deze objecten door zwaartekracht worden gelensd, zouden SDSS-onderzoekers aanzienlijk kleinere lichtsterktes en dus massa's van zwarte gaten afleiden, waardoor het gemakkelijker wordt hun vorming te verklaren.
'Hoe verder weg een quasar, hoe groter de kans dat er een melkwegstelsel tussen hem en de kijker ligt. Daarom verwachtten we dat de verste quasars zouden worden gelensd ”, legt SDSS-onderzoeker Xiaohui Fan van de Universiteit van Arizona uit. Echter, in tegenstelling tot de verwachting, vertoont geen van de vier enig teken van meerdere beelden dat het kenmerk is van lenzen.
“Slechts een klein deel van de quasars heeft een gravitatielens. Deze heldere quasars zijn echter zeer zeldzaam in het verre universum. Aangezien lenzen ervoor zorgen dat quasars er helderder uitzien en daardoor gemakkelijker te detecteren zijn, verwachtten we dat onze quasars op afstand het meest lenzen zouden zijn, ”stelde teamlid Zoltan Haiman van Columbia University.
"Het feit dat deze quasars niet zijn gelensd, zegt dat astronomen het idee serieus moeten nemen dat quasars een paar miljard keer de massa van de zon vormen minder dan een miljard jaar na de oerknal", zei Richards. "We zijn nu op zoek naar meer voorbeelden van quasars met hoge roodverschuiving in de SDSS om theoretici nog meer superzware zwarte gaten te geven om uit te leggen."
Oorspronkelijke bron: SDSS News Release
