Wat zijn zwaartekrachtlenzen?

Zwaartekrachtlensing (ook wel gravitatielensing genoemd) is het effect op licht van een achtergrondbron dat ontstaat als gevolg van de kromming van de ruimtetijd, de drie dimensies van ruimte en tijd verenigd tot een enkele entiteit, veroorzaakt door massa.

Het effect is het meest waarneembaar wanneer licht van een heldere achtergrondbron, zoals een ster, een quasar of een heel sterrenstelsel, een zeer zwaar object passeert zoals een ander sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels, beschreven als een lensobject of gewoon een zwaartekrachtlens.

Dit kan verschillende gevolgen hebben; het kan ervoor zorgen dat een object zijn schijnbare positie in de lucht boven de arde verschuift, of het kan ervoor zorgen dat een enkel object op meerdere punten aan de hemel verschijnt, wat af en toe aanleiding geeft tot spectaculaire formaties zoals ringen en kruisen gemaakt van hetzelfde object.

Meer nog, zwaartekrachtlensing kan er zelfs voor zorgen dat het licht van een achtergrondobject wordt versterkt. Dat betekent dat astronomen de zwaartekrachtlens die voortkomt uit galactische clusters kunnen gebruiken als natuurlijke kosmische vergrootglazen.

Dit heeft het een belangrijk hulpmiddel gemaakt voor het onderzoek van het heelal toen het nog in de kinderschoenen stond, waardoor licht van de vroegste sterrenstelsels werd gemaakt dat normaal gesproken te zwak zou zijn om waarneembaar te zijn door instrumenten als de Hubble Space Telescope en de Webb Space Telescope.

Hoe werkt zwaartekrachtlensing?

In 1915 bracht Albert Einstein een revolutie teweeg in de manier waarop we over zwaartekracht denken door de algemene relativiteitstheorie te introduceren, een theorie die ook bekend staat als de meetkundige theorie van de zwaartekracht. Het is vanuit deze theorie dat zwaartekrachtlensing werd geboren.

Einsteins idee was dat zwaartekracht voortkomt uit het feit dat massa ervoor zorgt dat het weefsel van de ruimtetijd kromt, en hoe groter de massa, hoe groter de kromming is. Zie dit als analoog aan ballen van toenemende massa die op een uitgerekte rubberen plaat worden geplaatst, waarbij een bowlingbal een grotere “deuk” veroorzaakt dan bijvoorbeeld een tennisbal.

Natuurlijk heeft deze kromming een effect op andere materie die eroverheen gaat. Dus, bijvoorbeeld, de kromming van de ruimtetijd veroorzaakt door de Zon houdt de Aarde in een baan, terwijl de kromming die de Aarde zelf veroorzaakt de Maan in een baan houdt.

De Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Wheeler beschreef het effect van de algemene relativiteitstheorie bondig als volgt: “Materie vertelt ruimtetijd hoe te krommen en ruimtetijd vertelt materie hoe te bewegen.”

Maar de kromming van de ruimtetijd heeft niet alleen invloed op materie. Het beïnvloedt ook licht, wat betekent dat licht altijd in rechte lijnen reist, behalve wanneer het dat niet doet. Als dit tegenstrijdig klinkt, dank dan aan een rechte lijn getekend op een vel papier. Als dat papier dan gebogen is, is de lijn zelf niet van zijn pad afgeweken, maar toch is hij nog steeds niet meer recht. Het pad dat fotonen van licht volgen terwijl ze door de ruimte reizen, wordt een geodeet genoemd en kan worden gekromd als een lijn die op papier is getekend.

De buiging van licht als het en gekromd gebied van de ruimtetijd passeert, gecreëerd door een massief object, geeft aanleiding tot zwaartekrachtlensing.

Tot de algemene relativiteitstheorie werden in de fysica van Isaac Newton ruimte en tijd beschouwd als de onveranderlijke stadia waarop de gebeurtenissen van het heelal zich afspeelden, hoewel Newton ook de buiging van licht had voorspeld, maar in veel mindere mate dan Einstein.

Het veranderen van de ruimtetijd in een dynamisch en veranderend aspect van het heelal was controversieel en betekende dat de algemene relativiteitstheorie veel bewijs zou vereisen voordat het zou worden geaccepteerd door de natuurkundige gemeenschap van de 20^ste eeuw. Gelukkig bood zwaartekrachtlensing precies het soort voorspelbaar en waarneembaar effect dat kon worden gebruikt om dit bewijs te leveren.

Hoe zwaartekrachtlensing het gelijk van Einstein bewees

De algemene relativiteitstheorie suggereert dat als een resultaat van zwaartekrachtlensing, de kromming van licht van een achtergrondbron terwijl het een zwaartekrachtlens passeert, er voor zorgt dat het object waarvan het afkomstig is op een andere locatie aan de hemel verschijnt dan normaal.

‘De astronoom Arthur Eddington geloofde dat deze verschuiving n schijnbare positie de sleutel was tot het verifiëren van de algemene relativiteitstheorie. Hij dacht dat hij een zonsverduistering en het donker worden van de zon kon gebruiken om de schijnbare positieverschuiving van goed bestudeerde sterren te observeren die wordt veroorzaakt door de massa van de Zon.

Eddington maakte gebruik van de zonsverduistering van 1919 om dit idee te testen en reisde naar Sobral in het noorden van Brazilië om de verduistering te bestuderen, terwijl een tweede team naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika reisde om soortgelijke waarnemingen te doen.

Tijdens de zonsverduistering van 1919 zat de Zon voor de Hyaden, een groep heldere sterren in het sterrenbeeld Stier – Taurus. Het lichtbuigende effect zou het meest extreem dicht bij de schijf van de Zon liggen, en gelukkig zouden veel sterren van de Hyaden tijdens de zonsverduistering zichtbaar zijn in de buurt van de schijf van de Zon.

Ondanks veel technische problemen tijdens de dubbele expeditie observeerden Eddington en het tweede team onder leiding van de astronoom Andrew Claude de la Cherois Crommelin een afbuiging van licht van deze sterren als gevolg van de Zon die tussen hen en de Aarde kwam, wat consistent was met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. De verandering in schijnbare positie was twee keer zo groot als wat werd voorspeld door Newtons zwaartekrachttheorie.

Hoewel de bevindingen niet zonder controverse zijn geweest, hebben veel vergelijkbare eclipsexperimenten die hierna zijn uitgevoerd, de zwaartekrachtlensing en de kromming van de ruimte door massieve objecten verder bevestigd en hebben ze meer onthuld over dit ongelooflijke fenomeen dat voortkomt uit de zwaartekracht.

Soorten zwaartekrachtlensing

Astronomen onderscheiden drie soorten zwaartekrachtlensing: sterke lensing, zwakke lensing en microlensing.

Sterke zwaartekrachtlensing

Zoals de naam al doet vermoeden is sterke lensing de meest extreme hiervan en treedt op wanneer de zwaartekrachtlens bijzonder massief is en de achtergrondbron die wordt gelenst er dicht bij ligt. Dit betekent dat et licht van de bron meerdere paden langs de zwaartekrachtlens kan nemen, afhankelijk van hoe dicht zijn pas het draagt. Als gevolg hiervan kan sterk gelenst licht van een enkel object op verschillende tijdstippen bij een waarnemer aankomen.

Als het achtergrondobject dat wordt gelenst varieert met de tijd, zullen de meerdere afbeeldingen ook variëren. Dit kan niet alleen worden gebruikt om de ontwikkeling van explosieve gebeurtenissen zoals supernova’s, de explosieve dood van zware sterren te volgen, maar het kan ook worden gebruikt om te meten hoe snel het heelal uitdijt, een snelheid die bekend staat als de Hubble-constante.

Resultaten van sterke zwaartekrachtlensing

De eerste keer dat er meerdere beelden van een enkel object werden gezien was in 1979 toen astronomen het dubbele beeld van een quasar zagen. Dit beeld is enigszins onnauwkeurig bekend geworden als de “Dubbele Quasar””.

Aanvankelijk geloofden astronomen dat dit twee afzonderlijke quasars waren, aangeduid als Q0957 +561 A en B, maar astronomen bestudeerden hun radio- en zichtbare lichtspectra en ontdekten dat ze identiek zijn. Een team van wetenschapper concludeerde dat deze tweeling quasars in feite hetzelfde object zijn, waarvan het licht verschillende paden heeft genomen rond een zwak maar detecteerbaar sterrenstelsel tussen de quasar en de Aarde, waarbij dat sterrenstelsel fungeert als een zwaartekrachtlens.

Sinds 1979 hebben astronomen ontdekt dat sterke gravitationele lensing een aantal vreemde en prachtige manifestaties kan creëren.

Volgens de ESA zijn de resultaten van sterke zwaartekrachtlensing verschillend, afhankelijk van de vorm van het object dat de lensing doet. De eenvoudigste vormen van zwaartekrachtlensing treden op wanneer er een enkel object is dat de ruimtetijd vervormt en licht buigt.

Als een zwaartekrachtlens bolvormig is, creëert deze een zogenaamde Einstein-ring waarin een enkel object in een cirkelvormige opstelling wordt herhaald. Als het zwaartekrachtlensobject langwerpig is, zoals sommige sterrenstelsels bijvoorbeeld, dan wordt het achtergrondobject gerepliceerd in een kruisachtige opstelling, aangeduid als een Einstein-kruis.

ESA voegt eraan toe dat complexere zwaartekrachtlensing plaatsvindt wanneer het object een onregelmatige vorm heeft of een opstelling van massieve objecten, zoals een galactische cluster. In deze gevallen is het effect op achtergrondbronnen het vervormen van hun uiterlijk, ze over een afbeelding smeren en ze als bogen laten verschijnen of zelfs uitrekken.

Dit opvallende effect is vooral prominent aanwezig in de bogen en wervelingen die lensstelsels vertegenwoordigen die te zien zijn op de eerste afbeelding van de JWST die aan het publiek werd getoond, de deep field-opname van de cluster van sterrenstelsels met de naam SMACS 0723. Deze afbeelding werd op 11 juli 2022 door de Amerikaanse president Biden onthuld.

Deze uitstrijkjes gemaakt door galactische clusters die fungeren als zwaartekrachtlenzen kunnen worden bestudeerd om de verdeling van de massa binnen die clusters te beoordelen. Dit is vooral nuttig voor astronomen die de verdeling van donkere materie rond sterrenstelsels bestuderen.

Hoewel donkere materie geen interactie heeft met elektromagnetische straling en dus geen licht uitzendt, absorbeert of reflecteert, heeft het wel massa, wat betekent dat het de ruimtetijd vervormt en gravitationeel interageert, net als “gewone materie” die de zichtbare componenten van sterrenstelsels vormt.

Dat betekent dat door te kijken naar de hoeveelheid zwaartekrachtlensing veroorzaakt door een sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels en dit vervolgens te vergelijken met de lensvorming die zou zijn ontstaan uit alleen de zichtbare materie in die verzameling, zoals sterren en heet gas, astronomen kunnen bepalen hoeveel onzichtbare donkere materie aanwezig is en hoe deze is verdeeld.

Zwakke en microzwaartekrachtlensing

Zwakke lensvorming treedt op wanneer de zwaartekrachtlensing niet extreem genoeg is om meerdere exemplaren van hetzelfde object in hetzelfde beeld van het heelal te veroorzaken of om visueel opvallende versmeerde sterrenstelsels te creëren. Zwakke lensvorming veroorzaakt nog steeds enige vervorming, maar dit is niet te zien op individuele sterrenstelsels, dus de enige manier om het effect van zwakke lensvorming echt te zien, is door naar veel sterrenstelsels te kijken en het effect over hen te middelen.

Sterke en zwakke zwaartekrachtlenzen komen van ongelooflijk zware objecten zoals sterrenstelsels of galactische clusters, maar veel kleinere objecten kunnen ook de ruimtetijd vervormen en het pad van het licht omleiden. Zwaartekrachtmicrolensing treedt op wanneer en lensobject een massa heeft die vergelijkbaar is met die van de Zon of zo groot als meerdere malen die van onze ster.

Hoewel de vervorming die wordt veroorzaakt door gravitationele microlensing misschien te subtiel is om te detecteren, creëert het wel een verheldering van de objecten. Dit betekent dat zwaartekrachtmicrolensing kan worden gebruikt door veranderingen in de helderheid van goed bestudeerde sterren te volgen. Het helderder worden van een verre ster gedurende een periode van dagen of weken kan erop wijzen dat een dicht en donker ongezien object voor deze sterren is gepasseerd waardoor ze tijdelijk worden gelenst.

Microlensing is een haalbare methode geworden om zwarte gaten te detecteren, die geen licht uitzenden van buiten het lichtvangende oppervlak dat fungeert als hun grens, bekend als de waarnemingshorizon, en dus net kunnen worden gezien, tenzij ze turbulente en gewelddadige omstandigheden creëren in gas en stof om hen heen waardoor ze gloeien. Omdat ze nog steeds massa bezitten vervormen zwarte gaten nog steeds de ruimte en geven ze dus nog steeds aanleiding tot een kleine hoeveelheid zwaartekrachtlensvorming.

Hoe de JWST en de HST zwaartekrachtlenzen gebruiken om terug in de tijd te kijken

Naarmate het licht van verre en dus vroege sterrenstelsels naar de Aarde reist, verliest het energie en wordt het dus zwakker. Dat betekent dat vroege sterrenstelsels zo zwak zijn dat ze niet zichtbaar zijn voor zelfs de krachtigste apparatuur die we hebben. Tenzij ze een duwtje in de rug krijgen van een vergrootglas ter grootte van een hele galactische cluster.

De vergroting van licht veroorzaakt door zwaartekrachtlensing is met groot effect gebruikt door de Hubble Space Telescope, die het heeft gebruikt om de structuur van vroege sterrenstelsels te bestuderen. Vanuit zijn positie boven de Aarde, vrij van vervagende effecten van de atmosfeer van onze planeet, kan Hubble, die het heelal sinds 1990 bestudeert, vroege sterrenstelsels met zwaartekrachtlens zien die telescopen op de grond zouden missen.

Dit heeft de baanbrekende telescoop geholpen om de structuur van sterrenstelsels te bestuderen, die niet konden worden gezien zonder het gebruik van zwaartekrachtlensing, zelfs door de nieuwe Webb Space Telescope.

De JWST heeft het voorbeeld van Hubble gevolgd door zwaartekrachtlenzen met groot effect te gebruiken en beelden te produceren met sterrenstelsels die kromgetrokken en versmeerd zijn rond een galactische clusterlens op zo’n manier dat het de abstracte schilder Salvador Dali trots zou maken.

In slechts het eerste jaar van zijn werking sinds de Webb medio 2022 online kwam, heeft de JWST voortgebouwd op het werk van de Hubble met behulp van zwaartekrachtlenzen om vier van de verste en dus vroegste sterrenstelsels te zien die tot nu toe bekend zijn. Deze sterrenstelsels, JADES-GS-z10–0, JADES-GS-z11–0, JADES-GS-z12–0, en JADES-GS-z13–0, bestonden toen het 13,8 miljard jaar oude heelal slechts ongeveer 350 miljoen jaar oud was.

Eerste publicatie: 19 januari 2024
Bron: space.com & anderen