Para ilmuwan telah menguasai banyak cara untuk mempelajari alam semesta. Salah satunya didasarkan pada pengamatan perilaku cahaya yang lewat di dekat objek masif, dan disebut "pelensaan gravitasi". Dan jika kita pernah melihat secara detail permukaan planet yang jauh, kemungkinan besar itu berkat dia.
Prinsip pelensaan gravitasi
Bayangkan sebuah objek yang merupakan sumber cahaya - bintang, galaksi, atau quasar paling terang. Kami berharap bahwa cahaya darinya akan mencapai pengamat di Bumi sepanjang garis lurus hüpfburg mit rutsche. Tetapi jika benda lain terletak pada garis lurus antara kita dan benda di luar angkasa, maka itu akan menghalangi sumber cahaya dari kita.
Namun, jika objek-penghalang cukup besar, maka akan memainkan peran lensa gravitasi. Daya tarik gravitasinya yang kuat akan membelokkan sinar cahaya dari sumbernya, melewatinya ke arah lain, vendita giochi gonfiabili. Foton yang mengubah lintasannya di bawah pengaruh lensa gravitasi seperti itu dan mengarah ke Bumi akan membentuk gambar objek untuk pengamat.
Medan gravitasi suatu benda yang sangat masif, seperti planet, bintang, galaksi, gugusan galaksi, atau bahkan lubang hitam, memiliki daya tarik yang sangat kuat. Sinar cahaya yang lewat jatuh ke medan gravitasinya, membelokkan dan mengubah arah gerakannya. Ambil dua sinar cahaya yang datang dari sumber cahaya yang jauh dari kita. Setelah melewati sisi berlawanan dari objek besar yang mengaburkan sumber cahaya ini dari kita, mereka menyimpang dari jalur langsung dan dapat bertemu di titik di mana pengamat berada.
Faktanya, ada sinar seperti itu yang tak terhitung jumlahnya, dan sebagai hasilnya, mereka akan membentuk gambar yang benar-benar aneh dari objek asli bagi pengamat. Dan karena cahaya dari sumbernya, yang mengelilingi lensa gravitasi, dapat datang dari sisi yang berbeda, maka pengamat dapat melihat dua atau lebih bayangan dari objek yang sama.
Asumsi bahwa cahaya dapat dibelokkan dalam medan gravitasi sebuah objek masif pertama kali dikemukakan oleh Albert Einstein dalam Relativitas Umum. Pada tahun 1912, Einstein mengusulkan bahwa cahaya bintang harus menyimpang dari jalurnya saat melewati medan gravitasi matahari.
Idenya kemudian diuji selama gerhana matahari total Mei 1919 oleh Arthur Eddington. Gerhana memungkinkan untuk mengamati bintang-bintang di dekat Matahari. Efeknya sendiri ternyata kecil, pancaran cahaya dari bintang, melewati anggota badan matahari, hanya menyimpang 1,75 detik busur. Tetapi pengamatan menunjukkan bahwa asumsi Einstein benar.
Gagasan lensa gravitasi dalam literatur ilmiah disebutkan pada tahun 1924 oleh ilmuwan Rusia Orest Danilovich Khvolson. Namun, perkiraan numerik dari fenomena tersebut dilakukan oleh Albert Einstein pada tahun 1936. Saat ini, lensa gravitasi digunakan untuk mempelajari banyak fenomena dan objek di alam semesta yang jauh.
Banyak objek, termasuk bintang dan planet, dapat menyebabkan efek lensa gravitasi, meskipun sulit dideteksi jika dilihat dari Bumi. Medan gravitasi galaksi dan gugus galaksi dapat menciptakan efek lensa yang lebih nyata. Baru-baru ini, ditemukan bahwa materi gelap, yang memiliki efek gravitasi, juga dapat menyebabkan pelensaan.
Ada tiga jenis pelensaan gravitasi: kuat, lemah, dan pelensaan mikro. Kuat menyebabkan distorsi yang mudah terlihat, seperti pembentukan cincin Einstein, busur, atau beberapa gambar dari objek yang sama. Lensa yang kuat sering memungkinkan galaksi yang sangat jauh terlihat seperti di masa lalu.
Ini memberi para ilmuwan gambaran tentang seperti apa kondisinya miliaran tahun yang lalu. Ini juga memperbesar cahaya dari objek yang sangat jauh, seperti galaksi paling awal, dan sering memberi astronom pandangan sekilas tentang kehidupan galaksi di masa muda mereka. Dengan lensa gravitasi yang lemah, distorsi sumber latar belakang jauh lebih sedikit dan hanya dapat dideteksi dengan analisis statistik dari sejumlah besar sumber. Namun, lensa lemah digunakan untuk menentukan jumlah materi gelap di alam semesta. Ini adalah alat yang sangat berguna bagi para astronom untuk memahami distribusi materi gelap di ruang angkasa.
Dalam kasus pelensaan mikro, distorsi bentuk objek, seperti halnya pelensaan kuat, tidak terlihat, tetapi jumlah cahaya yang diterima dari objek latar belakang berubah seiring waktu. Ini terjadi, misalnya, ketika satu bintang lewat di garis pandang tepat di depan bintang lain yang lebih jauh atau objek lain.
Gravitasi bintang yang lebih dekat membelokkan sinar cahaya yang datang dari objek latar belakang, akibatnya untuk beberapa waktu (beberapa minggu atau hari) akan tampak lebih terang dari biasanya bagi pengamat dari Bumi. Lensa gravitasi tidak hanya mempengaruhi cahaya tampak, tetapi juga mempengaruhi semua jenis radiasi elektromagnetik dan fluks partikel relativistik.
Lensa gravitasi pertama
Lensa gravitasi pertama (terlepas dari percobaan selama gerhana matahari 1919) ditemukan pada tahun 1979, ketika para astronom menemukan sesuatu yang disebut Twin QSO. Awalnya, para astronom percaya bahwa objek ini bisa menjadi sepasang quasar yang sangat mirip. Kedua quasar sangat dekat satu sama lain, dan pergeseran merah dan spektrum cahaya tampak sangat mirip.
Tetapi setelah pengamatan yang cermat dengan teleskop optik 2,1 meter di Observatorium Nasional Kitt Peak di Arizona, para astronom dapat mengetahui bahwa itu sebenarnya adalah objek yang sama. Kami melihat dua gambar itu, karena cahaya quasar dalam perjalanannya ke kami melewati dekat galaksi YGKOW G1, yang terletak pada jarak 4 miliar tahun cahaya dari Bumi. Quasar itu sendiri berjarak 8,7 miliar tahun cahaya dari kita.
Pengamatan ini dilakukan dalam rentang optik. Namun, kemudian tim yang dipimpin oleh David Roberts menemukan perbedaan antara dua gambar quasar dalam gambar frekuensi radio, yang menimbulkan keraguan tentang versi sebelumnya. Pada pertengahan 1979, para ilmuwan yang menggunakan teleskop radio Very Large Array (VLA) yang terletak di New Mexico, AS, menemukan pancaran relativistik yang muncul dari quasar A tanpa ekuivalen yang sesuai di quasar B.
Selain itu, jarak antara dua gambar 6 detik busur tampak terlalu besar bagi mereka untuk dijelaskan oleh efek gravitasi galaksi YGKOW G1. Tetapi pengamatan lebih lanjut menggunakan interferometri radio dasar yang sangat panjang, yang dilakukan oleh tim ilmuwan yang dipimpin oleh Mark Gorenstein pada tahun 1983, mengungkapkan jet relativistik yang pada dasarnya identik dari quasar A dan quasar B, yang menunjukkan bahwa ini masih dua gambar yang sama dan sama. obyek.
Perbedaan spektral kecil antara quasar A dan quasar B dapat dijelaskan oleh perbedaan densitas medium intergalaksi di sepanjang jalur cahaya, yang mengarah pada kepunahan cahaya yang berbeda, yaitu penyerapan dan hamburan radiasi elektromagnetik oleh materi (debu dan gas). terletak di ruang antarbintang, yang disebut kepunahan antarbintang … Pengamatan selama 30 tahun memperjelas bahwa gambar A quasar mencapai Bumi sekitar 14 bulan lebih awal dari gambar B yang sesuai, menghasilkan perbedaan panjang lintasan 1,1 tahun cahaya.
cincin Einstein
Sejak itu, beberapa lusin lensa gravitasi telah ditemukan, yang menjadi fokus planet kita. Hasil paling terkenal dari lensa gravitasi adalah cincin Einstein. Ketika sumber yang jauh, lensa gravitasi dan teleskop di Bumi berbaris, para astronom dapat melihat cincin cahaya di sekitar gambar objek yang menciptakan lensa gravitasi. Cincin cahaya ini disebut "cincin Einstein", lebih jarang - "cincin Chvolson-Einstein".
Bagi sains, cincin Einstein menarik karena memungkinkan untuk meneliti secara detail objek yang sangat jauh, strukturnya, dan proses yang terjadi di sana. Tanpa lensa gravitasi yang terbentuk secara acak, kita tidak akan bisa melihatnya. Objek yang lebih dekat bertindak seperti lensa, meningkatkan ukuran yang terlihat dari objek yang jauh.
Namun, sumber cahaya asli akan diamati sebagai cincin di sekitar objek pelensaan masif hanya jika sumber cahaya itu sendiri, lensa, dan pengamat berada pada garis yang sama. Dalam kasus penyimpangan posisi relatif objek dari garis lurus, pengamat hanya akan memiliki akses ke bagian busur.
salib Einstein
Salib Einstein yang terlihat di konstelasi Pegasus sebenarnya adalah empat gambar quasar tunggal dengan galaksi lensa di tengahnya. Untuk pengamatan visualnya, diperlukan teleskop dengan diameter objektif setengah meter. Quasar Q2237 + 030 sendiri terletak sekitar 8 miliar tahun cahaya dari Bumi, dan galaksi lensa ZW 2237 + 030 20 kali lebih dekat: 400 juta tahun cahaya dari kita.
Ada empat gambar, karena inti galaksi lensa memiliki apa yang disebut distribusi kerapatan kuadrupol. Medan gravitasi banyak objek di ruang angkasa tidak memiliki simetri bola, oleh karena itu, sebagai akibat dari lensa gravitasi, beberapa gambar dari satu objek dapat muncul.
Misi ke fokus matahari
Hari ini kita mengamati lensa gravitasi dari Bumi dan dari observatorium luar angkasa di orbit. Kita tidak dapat memilih objek yang diinginkan untuk observasi. Dan jika kita ingin, misalnya, untuk mempertimbangkan sekitar bintang dengan bantuan lensa gravitasi, kita harus mengirim teleskop ke titik tertentu di luar angkasa, yang akan sejalan dengan objek yang menarik dan objek massa yang cukup untuk menciptakan lensa gravitasi.
Namun mengapa tidak? Objek yang cocok yang dapat membuat lensa gravitasi adalah Matahari. Perhatikan eksperimen yang dilakukan oleh Arthur Eddington. Lintasan sinar cahaya yang melewati anggota badan matahari telah menyimpang, dan karena itu, cepat atau lambat, mereka akan bertemu.
Jarak minimum di mana ini terjadi adalah sekitar 550 unit astronomi dari Matahari.
Sinyal dari bintang pada titik ini akan diperkuat berkali-kali. Para ilmuwan percaya bahwa jika teleskop dipasang pada titik ini, maka di sekitar Matahari akan mungkin untuk melihat cincin terang - cincin Einstein, sehingga sinyal yang diperkuat dari bintang yang menarik bagi kita akan diamati. Ngomong-ngomong, planet kita juga memiliki fokus seperti itu, tetapi, untuk alasan yang jelas, ia terletak lebih jauh, pada jarak 13.000 unit astronomi darinya.
Kembali pada tahun 1979, fisikawan Vaughn Eschleman dari Universitas Stanford mengusulkan pembuatan pesawat ruang angkasa yang dapat dikirim ke fokus gravitasi matahari. Astronom Italia Claudio Maccone menghembuskan kehidupan baru ke dalam ide ini, yang pada tahun 1992 mengusulkan misi FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens) ke Badan Antariksa Eropa, yang melibatkan pengiriman pesawat ruang angkasa ke fokus gravitasi Matahari.
McCone percaya bahwa ini akan memungkinkan kita untuk mendapatkan data unik tentang sistem planet yang menarik bagi kita, hingga mendapatkan gambar rinci dari permukaan planet ekstrasurya. Seperti yang dicatat McCone, menggunakan bintang sebagai lensa gravitasi adalah langkah logis berikutnya bagi para astronom, yang akan memberi kita kesempatan yang benar-benar unik.“Setiap peradaban menerima hadiah besar dari Semesta: lensa dengan kekuatan sedemikian rupa sehingga tidak ada teknologi cerdas yang dapat menandingi atau melampauinya. Lensa ini adalah bintang peradaban. Dalam kasus kami, Matahari kami,”kata Makkone.