— Published on 30/11/2015 / Bug.hr.
Astronomi koji rade na Svemirskom teleskopu Hubble nedavno su objavili precizno predviđanje opažanja eksplozije jedne zvijezde. Radi se o supernovi nazvanoj Refsdal, udaljenoj nevjerojatnih 14 milijardi godina. Njezinu eksploziju trebali bismo vidjeti u prvim mjesecima 2016. godine!? Ako vam nije ništa čudno u toj tvrdnji, onda vas moram podsjetiti na činjenicu da se supernove, u načelu, ne mogu predviđati s takvom preciznošću, kao ni erupcije vulkana, ni potresi. Doduše, procese u unutrašnjosti zvijezda poznajemo puno bolje nego nego procese u unutrašnjosti Zemlje. Zvijezde ne mogu predvidjeti sudbinu pojedinog čovjeka (bez obzira što astrolozi govorili o tome), ali ljudi, koji znaju dovoljno astrofizike, mogu predvidjeti sudbinu pojedine zvijezde. Primjerice, znamo što će se sa Suncem događati milijardama godina u budućnosti. Možemo točno reći koja će zvijezda završiti, a koja neće, spektakularnom eksplozijom. No ipak, sam trenutak eksplozije može se predvidjeti tek do na točnost od milijun godina. S obzirom na duljinu života zvijezde ta nepreciznost i nije velika. Naravno, nezamislivo je velika s obzirom na duljinu ljudskog života. Ali, kako onda spomenuti astronomi mogu tvrditi da će vidjeti eksploziju točno određene zvijezde početkom 2016. godine? Odakle to predviđanje nečega što je u načelu nepredvidivo?
Štos je u tome da je supernova Refsdal već viđena. Ono što će se ponovo moći vidjeti samo je repriza. Da, i svemir ponekad reprizira program. A fenomen koji omogućuje tu reprizu je gravitacijska leća. Možda će se koji pažljivi čitatelj sjetiti članka Supernova na Einsteinovom križu, objavljenog na portalu BugOnline prije šest mjeseci. Ova priča doslovno je nastavak priče iz tog članka. I glavna junakinja je ista – supernova Refsdal.
Evo sažetka prethodne epizode: u studenome 2014. opažena je, prvi put u povijesti astronomije, višestruka slika iste supernove, zahvaljujući učinku gravitacijske leće. Tu rijetku pojavu snimio je Svemirski teleskop Hubble, nakon što su astonomi za njom tragali točno pola stoljeća. Naime, pojavu je predvidio, još 1964. godine, norveški astrofizičar Sjur Refsdal. Njemu u čast, prva opažena supernova s višestrukom slikom nazvana je SN Refsdal. Viđene su četiri slike u formaciji koju nazivamo Einsteinovim križom. Trebala bi postojati i peta slika, no ona zasad nije opažena.
Pojavu gravitacijske leće možemo razumjeti u okviru Einsteinove opće teorije relativnosti. Ta teorija, objavljena prije točno stotinu godina, gravitaciju tumači kao zakrivljenost prostorvremena. U konkretnom slučaju tijelo velike mase, zvijezda ili galaksija, zakrivljuje okolni prostor što ima utjecaj na gibanje drugih tijela u tom prostoru. I ne samo na gibanje tijela s masom, nego čak i na gibanje bezmasenih fotona – čestica svjetlosti. Fotoni, koji se inače gibaju pravocrtno, slijede zakrivljenost prostora što zapravo znači da skreću. To je lako zamisliti na primjeru crte povučene na komadu ravnog papira. Takva crta je dio pravca. No ako papir svinemo, onda će crta u "prostoru" papira i dalje ići najkraćim putem, iz njezine perspektive ravno. Ali gledano iz okolnog prostora ta crta više neće biti pravac. Ona će skretati.
Optička leća djeluje na sličan način – skreće zrake svjetlosti. To se događa u leći oka, leći fotoaparata, leći naočala ili kontaktnoj leći. Zrake svjetlosti koje idu kroz središte leće ne skreću, no sve one koje idu kroz druge dijelove leće – skreću. Zrake iz iste točke predmeta idu različitim putevima i eventualno se opet negdje sastaju. Tamo gdje se sastaju nastaje slika te točke predmeta. Skretanje svjetlosti u leći događa se zbog razlike optičke gustoće (što obično opisujemo indeksom loma) leće i optičke gustoće okolnog medija.
Gravitacijska leća funkcionira manje-više isto. Skretanje svjetlosti događa se zbog velike razlike masene gustoće objekta koji djeluje kao leća, zvijezde ili galaksije, i masene gustoće okolnog medija, međuzvjezdanog ili međugalaktičkog prostora. Postoje i brojne razlike, naravno. Optičke leće izrađujemo vrlo pravilno tako da svjetlost skreću na točno određeni način. Gravitacijske leće su nepravilne raspodjele materije, o kojima ni ne znamo sve detalje, i njihov učinak nije lako proračunati. U nekim slučajevima postoje simetrije pa se mogu napraviti aproksimacije i pojednostavniti račun.
I sad smo konačno spremni za objašnjenje ključnog problema: zašto već godinu dana kasni emisija pete slike supernove Refsdal? Postoji jedno svojstvo svake leće koje kod optičke leće ne dolazi do izražaja, ali je kod gravitacijske leće jako istaknuto. Naime, zrake svjetlosti od izvora/predmeta do slike/opažača idu različitim putovima. Različite duljine putova znače i različita vremena putovanja, s obzirom da je brzina svjetlosti konstantna. Osim toga, optička leća je obično optički gušća pa svjetlost kroz samu leću putuje sporije nego izvan leće. No, sve te razlike u vremenima dolazaka zraka su kod optičke leće toliko male da su potpuno zanemarive. Međutim, kod gravitacijske leće nisu zanemarive.
Gravitacijske leće su ogromne. A ogromne su i udaljenosti od izvora do leće te od leće do opažača. Često su u pitanju milijarde godina svjetlosti. Zato se vremenska kašnjenja između raznih dijelova slike ili raznih slika istog objekta mjere u danima, mjesecima ili čak godinama. To nije uočljivo kad je u pitanju izvor stalnoga sjaja. Međutim, postaje izuzetno uočljivo kod izvora promjenjivog sjaja. Daleke supernove su prije eksplozije potpuno neuočljive točkice, a nakon eksplozije postanu sjajnije od cijele galaksije nakon čega im sjaj ponovo opada nekoliko desetaka dana. Stoga različite slike (bolje reći filmovi) eksplozija supernova izgledaju kao reprize istog događaja. Četiri rubne slike supernove Refsdal, zbog raspodjele masa u galaksiji koja djeluje kao gravitacijska leća i zbog cjelokupne geometrije, imaju međusobna kašnjena od par dana. Zato se većinu vremena vide istodobno. Fotoni središnje slike, međutim, moraju proći kroz debelu leću velike gustoće i tu nakupe puno veće kašnjenje, premda je sam fizički put kraći. Prvi proračuni, objavljeni prije šest mjeseci, predvidjeli su kašnjenje između jedne i deset godina. Dakle, pojavu pete slike između kraja 2015. i kraja 2025. godine. Noviji proračuni su puno bliže donjoj granici. To je smisao najave eksplozije supernove početkom 2016. Stay tuned.