— Published on 08/03/2015 / Bug.hr.
Časopis Science upravo je objavio članak o otkriću višestruke slike, nastale zbog učinka gravitacijske leće, jedne daleke supernove. Sliku je snimio svemirski teleskop Hubble, a ista se supernova na njoj vidi na četiri različita mjesta u formaciji koju nazivamo Einsteinovim križem. Einsteinov križ dosad je opažen mnogo puta, ali samo s višestrukim slikama galaksija. Ovo je prvi put da je na križu snimljena supernova. Takav je događaj doduše bio predviđen, ali ga očito nije bilo lako naći. Potraga je trajala punih pedeset godina. Analiza supernove na Einsteinovom križu trebala bi dati iznimno važne podatke o promjeni brzine širenja svemira što je izravno povezano s tamnom energijom – najzagonetnijim konceptom današnje astrofizike.
Ove se godine navršava točno sto godina od objavljivanja Einsteinove opće teorije relativnosti. Za razliku od posebne teorije relativnosti, koja se odnosi na inercijske sustave (one koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju stalnom brzinom), opća teorija relativnosti odnosi se na neinercijske sustave (one koji jedan u odnosu na drugoga ubrzavaju). Posebna je teorija krenula od načela relativnosti – zakoni fizike isti su u svim inercijskim sustavima. Opća je pak krenula od načela ekvivalencije – učinci ubrzanja i gravitacije su isti. Posebna teorija povezala je dotad neovisne koncepte prostora i vremena, u prostorvrijeme, te mase i energije, u masoenergiju. Potom je opća teorija povezala je prostorvrijeme s masoenergijom. Stoga je opća teorija relativnosti zapravo geometrijska teorija gravitacije, što znači da gravitaciju tumači kao zakrivljenost prostorvremena. A tu zakrivljenost uzrokuje masoenergija. U pojednostavljenom slučaju: masivno tijelo zakrivljuju prostor oko sebe, a to zakrivljenje prostora određuje kako će se druga tijela u tom prostoru gibati.
Sunce, primjerice značajno zakrivljuje prostor oko sebe čime planetima i mnoštvu malih tijela Sunčeva sustava dominantno određuje gibanje. Ali, Sunce ne utječe samo na gibanje masivnih tijela u svojoj okolini. Zakrivljujući prostor oko sebe, Sunce utječe i na gibanje fotona, čestica svjetlosti koje nemaju masu. Fotoni koji na Zemlju dolaze s druge zvijezde ili galaksije, a prolaze relativno blizu Sunca, bivaju malo skrenuti u odnosu na prvobitan smjer. Taj je učinak bio predviđen i eksperimentalno ustanovljen još 1919. godine, kao jedna od prvih potvrda opće teorije relativnosti. Zbog sličnosti sa skretanjem svjetlosti koju uzrokuje optička leća, učinak je nazvan gravitacijskom lećom.
No, ne djeluje samo Sunce kao gravitacijska leća. Svaki masivni kozmički objekt koji se nađe dovoljno blizu pravca koji povezuje izvor i opažača, može djelovati kao gravitacijska leća. Naročito, tako mogu djelovati vrlo masivni objekti poput galaksija. Galaksiju u ulozi gravitacijske leće prvi je bio razmatrao iznimno kreativni astrofizičar Fritz Zwicky, još 1937. No, prva opažačka potvrda stigla je tek 1979. Danas je gravitacijska leća uobičajeni fenomen u astronomiji s mnoštvom precizno opažanih slučajeva. No, u svim slučajevima u kojima kao leća djeluje jedna galaksija promtrani objekt je druga, još udaljenija galaksija. Najčešće kvazar. Pojedinačna zvijezda daleke galaksije ima premali sjaj da bi se vidjela s pomoću gravitacijske leće. Osim ako bi se radilo o velikoj eksploziji zvijezde koju nazivamo supernovom.
Ideja opažanja supernove kroz učinak gravitacijske leće javila se prije nekih pedeset godina, a posebno zanimljivom postala je krajem 20. stoljeća, kad je krenula intenzivna potraga za dalekim supernovama tipa Ia. Naime, opažanja dalekih supernova tipa Ia pokazala su se iznimno važnima za kozmologiju. Dovela su, primjerice, do otkrića ubrzanog širenja svemira za što su Perlmutter, Schmidt i Riess dobili Nobelovu nagradu 2011. A u potrazi za dalekim supernovama vrijedilo je – što dalje, to bolje. Ne radi Guinnessove knjiga rekorda, nego zato što se tim supernovama na neki način mapira svemir, a jako velike udaljenosti znače jako rani svemir. A poznavanje jako ranog svemira za kozmologiju je presudno.
No, što bi se postiglo opažanjem supernove kroz učinak gravitacijske leće? Ono isto što se postiže opažanjem dalekih objekata kroz optičke leće teleskopa, ili opažanjem malih objekata kroz optičke leće mikroskopa – povećanje. Gravitacijska leća ne uzrokuje samo skretanje svjetlosti, ona djeluje i kao prirodni teleskop zahvaljujući kojemu vidimo još dublje u svemir.
Postoji još jedno svojstvo gravitacijske leće koje kod optičkih leća također postoji, ali ne dolazi do izražaja. Svjetlost koju leća skreće, a koja na kraju dođe do našeg instrumenta, prolazi duljim putem od svjetlosti koja dolazi izravno, bez skretanja. S obzirom da je brzina svjetlosti uvijek ista, dulji put znači i dulje vrijeme. Drugim riječima, svjetlost koja ide zaobilaznim putem kasni. I to ne malo. Za objekte udaljene više milijardi godina svjetlosti kašnjenje se mjeri u danima. Dakle, da biste vidjeli sve četiri točke u Einsteinovom križu nije dovoljno “okinuti” jednu snimku, kao fotoaparatom. Različite se točke mogu pojaviti s razmakom od više dana.
I za kraj, možda najzanimljivije pitanje: zašto križ, zašto baš četiri točke? Ako svjetlost dalekog objekta skreće oko galaksije koja joj se ispriječila na putu zašto ne vidimo prsten? Zapravo, ponekad i vidimo prsten. Einsteinov prsten. No, da bi gravitacijska leća stvorila Einsteinov prsten moraju biti zadovoljeni dosta specifični uvjeti. Raspodjela materije u galaksiji koja djeluje kao leća mora biti sferno simetrična, a galaksije su rijetko takve. Osim toga, opažač izvor i galaksija-leća moraju biti savršeno poravnati. I to je rijetko slučaj. No ipak, među stotinjak poznatih objekata koje vidimo u višestrukim slikama, ili razmazane u prsten, zbog utjecaja gravitacijske leće, nekoliko njih su cijeli ili gotovo cijeli prstenovi. U većini slučajeva, raspodjela materije u galaksiji koja djeluje kao leća, i neki geometrijski odnosi cijelog sustava, rezultiraju nastankom “križa”, odnosno četiri slike izvora. Zapravo račun pokazuje da postoji pet slika. Ona peta je negdje u središtu i nju možemo opaziti dok je galaksija-leća donekle transparentna da dio svjetlosti može proći kroz nju.
U svakom slučaju, hvatanje supernove u Einsteinovom križu izniman je astronomski ulov. Za razliku od ribiča koji se svojim rekordnim ulovom mogu tek pohvaliti, i eventualno pogostiti, astronomi svoj veliki ulov pretvaraju u malu, ali važnu, kockicu mozaika znanstvenog znanja na dobrobit budućih generacija čovječanstva.