Odkryto nowy krzyż Einsteina

Nowo odkryty krzyż Einsteina J2211-3050. Galaktyka eliptyczna (żółty obiekt) działa jak soczewka, powodując powstanie czterech niebieskich obrazów (oznaczonych ABCD) galaktyki znajdującej się trzy razy dalej. Dzięki teleskopowi GTC udało się wyizolować i rozszczepić światło obiektów ABC, co pozwoliło potwierdzić, że wszystkie mają to samo źródło. Credit: Hubble Space Telescope / Instituto de Astrofisica de Canarias

W ramach badań, w których połączono zdjęcia wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i spektroskopowe obserwacje za pomocą GTC, udało się potwierdzić istnienie nowego przypadku soczewki grawitacyjnej, zjawiska przewidzianego przez Alberta Einsteina ponad 100 lat temu w Ogólnej Teorii Względności. W tym przypadku obserwowany efekt spowodowany jest przez galaktykę, która działa niczym szkło powiększające, które wzmacnia i zniekształca, w czterech osobnych miejscach tworzących krzyż, światło innej galaktyki znajdującej się 20 000 milionów lat świetlnych od Ziemi.

Jednym z najbardziej zdumiewających wniosków płynących z Ogólnej Teorii Względności opracowanej przez Alberta Einsteina jest fakt, że trajektoria promieniowania zakrzywia się w obecności materii. Efekt ten można obserwować w przypadku promieniowania emitowanego przez odległą galaktykę, gdy przebiega ono blisko innej galaktyki znajdującej się po drodze do obserwatora. Zjawisko to znane jest pod nazwą soczewkowania grawitacyjnego, ponieważ można je porównać do zakrzywienia promieni świetlnych przez klasyczne soczewki szklane. Tak samo jak tu soczewki grawitacyjne działają jak szkła powiększające, które zmieniają rozmiary, kształt i intensywność obrazu odległego obiektu.

W zależności od stopnia ustawienia obu źródeł, można obserwować liczne obrazy odległego źródła, np. cztery osobne obrazy ustawione w kształt krzyża (stąd i nazwa krzyż Einsteina), pierścienie czy łuki. Co do zasady, niezwykle trudno jest dostrzec soczewkę grawitacyjną, ponieważ odstępy między poszczególnymi obrazami są zazwyczaj bardzo małe, a więc potrzebna zdjęć naprawdę wysokiej rozdzielczości, aby je dojrzeć. To właśnie w trakcie precyzyjnego analizowania zdjęć wysokiej rozdzielczości wykonanych za pomocą teleskopu Hubble’a udało się dostrzec asteryzm który wyglądał jak krzyż Einsteina.

Niemniej jednak, dostrzeżenie czterech punktów świetlnych ustawionych w kształt krzyża wokół galaktyki, nie gwarantuje, że jest to soczewka. Należy zatem wykazać, że 4 obrazy należą do tego samego obiektu. W tym celu należy wykonać obserwacje spektroskopowe. Z tego też powodu zespół włoskich naukowców, kierowany przez Danielę Bettoni z Obserwatorium w Padwie oraz Riccardo Scarpę z IAC, zdecydował się na przeprowadzenie obserwacji spektroskopowych potencjalnej soczewki za pomocą GTC. Według Scarpy “wyniki nie mogły być lepsze. Atmosfera była bardzo czysta z minimalnymi turbulencjami, dzięki czemu możliwe było wyraźne rozdzielenie światła trzech z czterech obrazów. Widmo natychmiast dało nam odpowiedź, której poszukiwaliśmy – ta sama linia emisyjna zjonizowanego wodoru pokazała się we wszystkich trzech widmach, na tej samej długości fali. Nie ma żadnych wątpliwości, że we wszystkich trzech przypadkach obserwujemy ten sam obiekt”.

Fragment widma źródeł ABC wyśrodkowany na linii emisyjnej Lyman alfa. Wszystkie trzy źródła mają linię na tej samej długości fali, co wskazuje, że w rzeczywistości światło pochodzi z tego samego obiektu. Źródło: GTC

Odkryto zatem nowy krzyż Einsteina – J2211-0350. Obiekt spełniający tutaj rolę soczewki okazał się być galaktyką eliptyczną znajdującą się około 7 miliardów lat świetlnych od Ziemi (z = 0,556), a soczewkowany przez niego obiekt to źródło znajdujące się co najmniej 20 miliardów lat świetlnych od Ziemi (z = 3,03). “Zazwyczaj źródłem jest kwazar. Ze zdumieniem dostrzegliśmy, że w tym wypadku źródłem jest inna galaktyka, co więcej galaktyka z bardzo intensywnymi liniami emisyjnymi, co wskazuje, że jest to młody obiekt wciąż tworzący bardzo dużo nowych gwiazd” tłumaczy Bettoni. To naprawdę spore osiągnięcie dla GTC, zważając na to, że znaliśmy dotąd tylko jeden krzyż tego typu.

Dzięki tym nowym obserwacjom, których wyniki opublikowano w periodyku The Astrophysical Journal, astronomowie mają jeszcze jedno narzędzie do badania Wszechświata Soczewki grawitacyjne są niezwykle ważne, ponieważ pozwalają nam badać kosmos w bardzo unikatowy sposób. Z uwagi na to, że światło różnych obrazów, początkowo to samo światło, podąża różnymi ścieżkami po wszechświecie, dlatego też wszelkie różnice widma muszą być spowodowane materią znajdującą się między nami, a źródłem. Co więcej, jeżeli źródło promieniowania jest zmienne, możemy obserwować opóźnienia czasowe (spadek jasności w jednym obrazie pojawia się w innym momencie niż w drugim), co dostarcza nam bardzo cennych informacji o kształcie wszechświata.

Oczywiście masa soczewki odpowiedzialnej za zakrzywienie toru światła można dokładnie ocenić, dzięki czemu uzyskujemy niezależną metodę szacowania masy galaktyk. W końcu, jak w przypadku normalnej szklanej soczewki, soczewka grawitacyjna skupia światło źródła na nas, przez co możemy obserwować obiekty, których bez soczewki byśmy nie mogli dojrzeć. W tym przypadku możemy obliczyć, że źródło jest 5 razy jaśniejsze niż byłoby bez soczewki.

Źródło: Instituto de Astrofisica de Canarias

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ab0aeb