Die meisten Menschen kennen die Werkzeuge der Astronomie: Teleskope, Spezialinstrumente und Datenbanken. Astronomen verwenden diese sowie einige spezielle Techniken, um entfernte Objekte zu beobachten. Eine dieser Techniken wird als "Gravitationslinsen" bezeichnet.
Diese Methode beruht einfach auf dem besonderen Verhalten des Lichts, wenn es sich in der Nähe von massiven Objekten befindet. Die Schwerkraft dieser Regionen, die normalerweise riesige Galaxien oder Galaxienhaufen enthalten, vergrößert das Licht von sehr weit entfernten Sternen, Galaxien und Quasaren. Beobachtungen mit Gravitationslinsen helfen Astronomen, Objekte zu erforschen, die in den frühesten Epochen des Universums existierten. Sie enthüllen auch die Existenz von Planeten um entfernte Sterne. Auf unheimliche Weise enthüllen sie auch die Verbreitung von Dunkle Materie das durchdringt das Universum.
Das Konzept der Gravitationslinse ist einfach: Alles im Universum hat Masse und diese Masse hat eine Anziehungskraft. Wenn ein Objekt massiv genug ist, biegt seine starke Anziehungskraft das Licht im Vorbeigehen. Ein Gravitationsfeld eines sehr massiven Objekts wie eines Planeten, eines Sterns oder einer Galaxie oder eines Galaxienhaufens oder sogar eines Schwarzen Lochs zieht stärker an Objekten im nahe gelegenen Raum. Wenn beispielsweise Lichtstrahlen von einem weiter entfernten Objekt vorbeiziehen, werden sie im Gravitationsfeld gefangen, gebogen und neu fokussiert. Das neu fokussierte "Bild" ist normalerweise eine verzerrte Ansicht der weiter entfernten Objekte. In einigen extremen Fällen können beispielsweise ganze Hintergrundgalaxien durch die Wirkung der Gravitationslinse in lange, dünne, bananenähnliche Formen verzerrt werden.
Die Idee der Gravitationslinse wurde erstmals in vorgeschlagen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Um 1912 leitete Einstein selbst die Mathematik dafür ab, wie Licht beim Durchgang durch das Gravitationsfeld der Sonne abgelenkt wird. Seine Idee wurde anschließend während einer totalen Sonnenfinsternis im Mai 1919 von Astronomen getestet Arthur Eddington, Frank Dyson und ein Team von Beobachtern, die in Städten in ganz Südamerika und Südamerika stationiert sind Brasilien. Ihre Beobachtungen bewiesen, dass es Gravitationslinsen gab. Während Gravitationslinsen im Laufe der Geschichte existierten, kann man mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass sie zum ersten Mal in den frühen 1900er Jahren entdeckt wurden. Heute wird es verwendet, um viele Phänomene und Objekte im fernen Universum zu untersuchen. Sterne und Planeten können Gravitationslinseneffekte verursachen, die jedoch schwer zu erkennen sind. Die Gravitationsfelder von Galaxien und Galaxienhaufen können deutlichere Linseneffekte erzeugen. Und es stellt sich nun heraus, dass dunkle Materie (die einen Gravitationseffekt hat) auch Linsen verursacht.
Jetzt, da Astronomen Linsen im gesamten Universum beobachten können, haben sie solche Phänomene in zwei Typen unterteilt: stark Linsen und schwache Linsen. Starke Linsen sind ziemlich leicht zu verstehen - wenn sie mit dem menschlichen Auge in einem Bild gesehen werden können (sagen wir aus Hubble-Weltraumteleskop), dann ist es stark. Eine schwache Linse hingegen ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Astronomen müssen spezielle Techniken anwenden, um den Prozess zu beobachten und zu analysieren.
Aufgrund der Existenz dunkler Materie sind alle entfernten Galaxien ein kleines bisschen schwach. Eine schwache Linse wird verwendet, um die Menge an dunkler Materie in einer bestimmten Richtung im Raum zu erfassen. Es ist ein unglaublich nützliches Werkzeug für Astronomen, das ihnen hilft, die Verteilung der dunklen Materie im Kosmos zu verstehen. Dank starker Linsen können sie auch entfernte Galaxien sehen, wie sie in der fernen Vergangenheit waren, was ihnen eine gute Vorstellung davon gibt, wie die Bedingungen vor Milliarden von Jahren waren. Es vergrößert auch das Licht von sehr weit entfernten Objekten wie den frühesten Galaxien und gibt Astronomen oft eine Vorstellung von der Aktivität der Galaxien in ihrer Jugend.
Eine andere Art der Linsenbildung, die als "Mikrolinse" bezeichnet wird, wird normalerweise durch einen Stern verursacht, der vor einem anderen oder gegen ein weiter entferntes Objekt geht. Die Form des Objekts darf nicht verzerrt sein, wie dies bei einer stärkeren Linsenbildung der Fall ist, aber die Intensität des Lichts schwankt. Das sagt den Astronomen, dass es wahrscheinlich um Mikrolinsen ging. Interessanterweise können Planeten auch an der Mikrolinse beteiligt sein, wenn sie zwischen uns und ihren Sternen verlaufen.
Gravitationslinsen treten bei allen Wellenlängen des Lichts auf, von Radio und Infrarot bis zu sichtbarem und ultraviolettem Licht. Das macht Sinn, da sie alle Teil des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung sind, die das Bad nimmt Universum.
Die erste Gravitationslinse (außer dem Eclipse-Linsenexperiment von 1919) wurde 1979 entdeckt, als Astronomen betrachteten etwas, das als "Twin QSO" bezeichnet wurde. QSO ist eine Abkürzung für "quasi-stellar object" oder Quasar. Ursprünglich dachten diese Astronomen, dieses Objekt könnte ein Paar Quasar-Zwillinge sein. Nach sorgfältigen Beobachtungen mit dem Kitt Peak National Observatory in Arizona konnten Astronomen herausfinden, dass es keine zwei identischen Quasare (entfernt) gab sehr aktive Galaxien) im Raum nahe beieinander. Stattdessen handelte es sich tatsächlich um zwei Bilder eines weiter entfernten Quasars, die erzeugt wurden, als das Licht des Quasars in der Nähe einer sehr massiven Schwerkraft auf dem Weg des Lichts vorbeiging. Diese Beobachtung wurde in optischem Licht (sichtbares Licht) gemacht und später durch Funkbeobachtungen unter Verwendung der bestätigt Sehr großes Array in New Mexico.
Seit dieser Zeit wurden viele Objekte mit Gravitationslinsen entdeckt. Die bekanntesten sind Einsteinringe, bei denen es sich um Linsenobjekte handelt, deren Licht einen "Ring" um das Linsenobjekt bildet. Bei einer zufälligen Gelegenheit, bei der sich die entfernte Quelle, das Linsenobjekt und die Teleskope auf der Erde aufstellen, können Astronomen einen Lichtring sehen. Diese werden "Einsteinringe" genannt, natürlich benannt nach dem Wissenschaftler, dessen Arbeit das Phänomen der Gravitationslinse vorhersagte.
Ein anderes berühmtes Objektiv mit Linsen ist ein Quasar namens Q2237 + 030 oder das Einsteinkreuz. Als das Licht eines Quasars, der etwa 8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt war, durch eine längliche Galaxie ging, entstand diese seltsame Form. Es erschienen vier Bilder des Quasars (ein fünftes Bild in der Mitte ist für das bloße Auge nicht sichtbar), wodurch eine diamant- oder kreuzartige Form entstand. Die Linsengalaxie ist in einer Entfernung von etwa 400 Millionen Lichtjahren viel näher an der Erde als der Quasar. Dieses Objekt wurde mehrfach von der Hubble-Weltraumteleskop.
Auf einer kosmischen Entfernungsskala Hubble-Weltraumteleskop Nimmt regelmäßig andere Bilder von Gravitationslinsen auf. In vielen seiner Ansichten sind entfernte Galaxien in Bögen verschmiert. Astronomen verwenden diese Formen, um die Verteilung der Masse in den Galaxienhaufen zu bestimmen, die die Linse bilden, oder um ihre Verteilung der dunklen Materie herauszufinden. Während diese Galaxien im Allgemeinen zu schwach sind, um leicht gesehen zu werden, werden sie durch Gravitationslinsen sichtbar und übertragen Informationen über Milliarden von Lichtjahren, die Astronomen studieren können.
Astronomen untersuchen weiterhin die Auswirkungen von Linsen, insbesondere wenn es sich um Schwarze Löcher handelt. Ihre intensive Schwerkraft lenkt auch das Licht, wie in dieser Simulation anhand eines HST-Bildes des Himmels gezeigt wird.