Einstein ringzwaartekrachtlens: SDSS J163028.15 + 452036.2. Afbeelding tegoed: Hubble. Klik om te vergroten
Terwijl Albert Einstein bijna een eeuw geleden zijn theorie van algemene relativiteitstheorie ontwikkelde, stelde hij voor dat het zwaartekrachtveld van massieve objecten de ruimte dramatisch zou kunnen vervormen en licht zou kunnen afbuigen.
De optische illusie die door dit effect wordt gecreëerd, wordt zwaartekrachtlensing genoemd. Het is het equivalent van de natuur van het hebben van een gigantische vergrootlens in de ruimte die het licht van verder weg gelegen objecten vervormt en versterkt. Einstein beschreef gravitatielensing in een paper dat in 1936 werd gepubliceerd. Maar hij dacht dat het effect niet waarneembaar was omdat de optische vervormingen veroorzaakt door de voorgrondsterren die de ruimte vervormen, te klein zouden zijn om ooit meetbaar te zijn met de grootste telescopen van zijn tijd.
Nu, bijna een eeuw later, hebben astronomen twee krachtige astronomische middelen gecombineerd, de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA, om 19 nieuwe sterrenstelsels met "zwaartekrachtlenzen" te identificeren, wat aanzienlijk bijdraagt aan de ongeveer 100 eerder bekende zwaartekrachtlenzen. Onder deze 19 hebben ze acht nieuwe zogenaamde "Einstein-ringen" gevonden, die misschien wel de meest elegante manifestatie zijn van het lensverschijnsel. Slechts drie van dergelijke ringen waren eerder in zichtbaar licht gezien.
Bij zwaartekrachtlensing kan licht van verre sterrenstelsels op weg naar de aarde worden afgebogen door het zwaartekrachtveld van elk massief object dat in de weg ligt. Hierdoor zien we de melkweg vervormd in een boog of meerdere afzonderlijke afbeeldingen. Wanneer beide sterrenstelsels precies op één lijn staan, vormt het licht een schot in de roos, een Einstein-ring genoemd, rond het voorgrondstelsel.
De nieuw ontdekte lenzen komen uit een lopend project genaamd de Sloan Lens ACS Survey (SLACS). Een team van astronomen, onder leiding van Adam Bolton van het Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics in Cambridge, Mass., En Leon Koopmans van het Kapteyn Astronomical Institute in Nederland, selecteerden de kandidaatlenzen uit enkele honderdduizend optische spectra van elliptische sterrenstelsels in de Sloan Digital Sky Survey. Vervolgens gebruikten ze de scherpe ogen van de geavanceerde camera van Hubble voor enquêtes om de bevestiging te maken.
"De enorme schaal van de SDSS, samen met de beeldkwaliteit van de Hubble-telescoop, heeft deze ongekende kans geopend voor de ontdekking van nieuwe zwaartekrachtlenzen", legt Bolton uit. "We zijn erin geslaagd om één op de 1000 sterrenstelsels te identificeren die deze tekenen van zwaartekrachtlensing van een ander sterrenstelsel vertonen."
Het SLACS-team heeft de spectra van ongeveer 200.000 sterrenstelsels op 2 tot 4 miljard lichtjaar afstand gescand. Het team was op zoek naar duidelijk bewijs van emissie van sterrenstelsels die twee keer zo ver van de aarde verwijderd waren en direct achter de dichterbij gelegen sterrenstelsels. Vervolgens gebruikten ze de geavanceerde camera van Hubble voor enquêtes om foto's te maken van 28 van deze kandidaat-lensstelsels. Door de bogen en ringen van 19 van deze kandidaten te bestuderen, kunnen de astronomen de massa van de voorgrondstelsels nauwkeurig meten.
Naast het produceren van vreemde vormen, geven zwaartekrachtlenzen astronomen de meest directe sonde van de verdeling van donkere materie in elliptische sterrenstelsels. Donkere materie is een onzichtbare en exotische vorm van materie die nog niet direct is waargenomen. Astronomen leiden het bestaan ervan af door de zwaartekracht te meten. Donkere materie is alomtegenwoordig in sterrenstelsels en vormt het grootste deel van de totale massa van het universum. Door in donkere sterrenstelsels naar donkere materie te zoeken, hopen astronomen inzicht te krijgen in de vorming van sterrenstelsels, die moet zijn begonnen rond klonterige concentraties van donkere materie in het vroege heelal.
"Onze resultaten geven aan dat deze 'elliptische lensstelsels' gemiddeld dezelfde speciale massadichtheid hebben als die in spiraalstelsels," vervolgde Bolton. “Dit komt overeen met een toename van het aandeel donkere materie ten opzichte van sterren wanneer men zich van het centrum van het lensstelsel verwijdert en in de zwakkere buitenwijken gaat. En aangezien deze lens-gelaxies relatief helder zijn, kunnen we dit resultaat stollen met verdere op de grond gebaseerde spectroscopische waarnemingen van de stellaire bewegingen in de lenzen. ”
"Door deze en andere zwaartekrachtlenzen al enkele miljarden jaren te kunnen bestuderen, kunnen we direct zien of de verdeling van donkere [onzichtbare] en zichtbare massa verandert met kosmische tijd", voegde Dr. Koopmans eraan toe. "Met deze informatie kunnen we het algemeen aanvaarde idee testen dat sterrenstelsels ontstaan door botsingen en fusies van kleinere sterrenstelsels."
De Sloan Digital Sky Survey, waaruit het SLACS-lenskandidaatmonster was geselecteerd, werd in 1998 gestart met een op maat gemaakte, op de grond gebaseerde telescoop om de kleuren en helderheid van meer dan 100 miljoen objecten over een kwart van de hemel en kaart te meten de afstanden tot een miljoen sterrenstelsels en quasars. "Dit type gravitatie-lensonderzoek was geen origineel doel van de SDSS, maar werd mogelijk gemaakt door de uitstekende kwaliteit van de SDSS-gegevens", zegt Scott Burles van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, een SLACS-teamlid en een van de makers van de SDSS.
"Een extra bonus van de grote omvang van de SDSS-database is dat we onze zoekcriteria kunnen ontwerpen om de lenzen te vinden die het meest geschikt zijn voor specifieke wetenschappelijke doelen", zegt SLACS-teamlid Tommaso Treu van de Universiteit van Californië, Santa Barbara . “Waar we tot nu toe de grootste sterrenstelsels als ons doel hebben gekozen, richten we ons in de volgende fasen van het onderzoek op kleinere lensstelsels. Er zijn suggesties dat de structuur van sterrenstelsels verandert met de grootte van de melkweg. Door deze zeldzame objecten ‘op afroep’ te identificeren, kunnen we binnenkort voor het eerst testen of dit waar is. "
SLACS-teamlid Leonidas Moustakas van het NASA Jet Propulsion Laboratory en het California Institute of Technology in Pasadena, Californië toegevoegd: “Deze Einstein-ringen geven ook een ongeëvenaard vergroot beeld van de lensstelsels, waardoor we de sterren en de vormingsgeschiedenis van deze verre sterrenstelsels. '
De SLACS-enquête wordt voortgezet en tot dusver heeft het team Hubble gebruikt om bijna 50 van hun kandidaat-lensstelsels te bestuderen. Het uiteindelijke totaal zal naar verwachting meer dan 100 zijn, met nog veel meer nieuwe lenzen. De eerste bevindingen van de enquête zullen verschijnen in het nummer van februari 2006 van het Astrophysical Journal en in twee andere papers die bij dat tijdschrift zijn ingediend.
Oorspronkelijke bron: Hubblesite News Release
