LRG 3-757 or Potcoava cosmică, unde galaxia gălbuie din centru a potențat lumina galaxiei albastre mult mai îndepărtate.
Credit: NASA, ESA
Astronomii trăiesc într-o epocă de aur a telescoapelor tot mai mari și mai performante. Dar chiar și cea mai avansată tehnologie a noastră pălește în comparație cu puterea „lupelor cosmice” naturale – lentilele gravitaționale.
În mai puțin de 50 de ani am trecut de la prima descoperire a unei lentile gravitaționale la identificarea a mii de astfel de fenomene. Pe măsură ce noi telescoape intră în funcțiune, ne așteptăm să descoperim alte mii.
Cu aceste lentile putem privi adânc în univers și putem surprinde indicii despre unele dintre cele mai tulburătoare mistere cosmice contemporane: materia întunecată și energia întunecată.
Așadar, ce sunt lentilele gravitaționale și cum funcționează ele?
O demonstrație spectaculoasă a gravitației
Lentilele gravitaționale sunt cea mai spectaculoasă demonstrație vizuală a teoriilor gravitației formulate de Albert Einstein.
Conform lui Einstein, masa curbează și deformează însăși structura fundamentală a spațiului.
Tot ceea ce are masă (tu, eu, o frunză, un atom) curbează spațiu-timpul în acest fel.
Dar efectul devine vizibil doar atunci când un obiect este cu adevărat masiv, cum sunt galaxiile sau roiurile de galaxii. Pe măsură ce lumina călătorește de la obiecte îndepărtate și trece pe lângă aceste galaxii masive, spațiul-timpul deformat din jurul lor modifică traiectoria luminii și o focalizează în așa fel încât devine mai vizibilă pentru noi.
În imaginea de mai sus, un roi de galaxii distorsionează razele de lumină de la o altă galaxie din spatele acestuia. De pe Terra observăm galaxia din fundal ca modificată și sub forma unui arc în jurul roiului. Credit: NASA, ESA & L. Calçada, CC BY
Nu ne aflăm mereu în locul potrivit pentru a vedea acest efect. Așa cum o lupă trebuie aliniată corect în fața ochiului, putem observa efectul de lentilă gravitațională doar atunci când există o aliniere între obiectul din fundal, lentila din prim-plan și noi.
În rarele ocazii când acest lucru se întâmplă, prin telescoape vedem versiuni multiple, distorsionate, dar mărite ale unui obiect care altfel ar fi imposibil de detectat.
Telescopul Hubble a captat o lentilă gravitațională numită GAL-CLUS-022058s. Aici un roi de galaxii curbează imaginea unei galaxii de fundal, oferindu-ne o vedere a acestei galaxii, așa cum arăta acum 9 miliarde de ani. Credit: ESA/Hubble & NASA, S. Jha Acknowledgement: L. Shatz, CC BY
Dezvăluind invizibilul
Chiar și Einstein nu ar fi putut prezice cât de importante aveau să devină lentilele gravitaționale pentru astronomia modernă. De fapt, el credea că sunt imposibil de observat.
Aceasta deoarece Einstein se gândea la efecte de lentilă gravitațională în jurul stelelor, nu al galaxiilor. Abia decenii mai târziu astronomii au realizat cât de masive sunt galaxiile și cât de multe sunt în univers.
Lucru remarcabil, lentilele gravitaționale pot dezvălui detalii despre lucruri pe care nu le putem vedea deloc.
Teoriile prezic că aproximativ 85% din materia universului este alcătuită dintr-o substanță invizibilă numită materie întunecată. Modul în care o lentilă gravitațională curbează și deformează lumina ne permite să măsurăm câtă materie se află într-o galaxie; nu doar materia obișnuită vizibilă, ci și materia întunecată.
Lentilele gravitaționale ne pot ajuta, de asemenea, să cartografiem roiurile de galaxii din univers, pentru a înțelege forma acestuia. Este universul nostru perfect plat, ca o foaie de hârtie? Sau are o curbură, precum o sferă, ori se deschide spre exterior, ca o șa de cal?
Răspunsul depinde de densitatea universului, iar cartografierea roiurilor de galaxii ne ajută să măsurăm densitatea unei forțe ipotetice numite energie întunecată.
Privind în universul îndepărtat
Lentilele gravitaționale fac obiectele din fundal de zece până la o sută de ori mai luminoase decât ar fi în mod normal. Acest efect oferă o imagine de înaltă definiție a universului îndepărtat.
Telescopul spațial James Webb a profitat de această amplificare pentru a surprinde o ipostază a universului așa cum era acum peste 13 miliarde de ani, la doar circa 300 de milioane de ani după Big Bang.
Privirea departe în trecut ne ajută să înțelegem cum s-a format galaxia Calea Lactee și cum ar putea ea să evolueze.
În stânga, cum arată o galaxie tânără tipică arată astăzi. Calea Lactee arată similar, cu brațe în spirală. Dar Calea Lactee poate evolua într-o galaxie eliptică, masivă, ca cea din imaginea din dreapta.
Imaginea stânga: ESA/Hubble & NASA, ESO, J. Lee and the PHANGS-HST Team.
Imaginea dreapta: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)
Suntem pe cale să fim copleșiți de descoperiri
Problema este că lentilele gravitaționale sunt rare, asemenea unui ac într-un car de fân cosmic. Pentru a le găsi, avem nevoie de imagini de înaltă calitate ale unor porțiuni vaste de cer nocturn.
Anul acesta, două noi proiecte de observație a cerului sunt așteptate să revoluționeze domeniul: Telescopul spațial Euclid al Agenției Spațiale Europene și Observatorul Vera Rubin din Chile.
Euclid, lansat în 2023 și care a publicat deja primele date la începutul acestui an, va fotografia o treime din întregul cer, cu o claritate posibilă doar din spațiu.
În schimb, Observatorul Vera Rubin va lucra de la sol, dar va acoperi tot cerul emisferei sudice, creând cea mai detaliată imagine secvențială a cosmosului realizată vreodată.
De-a lungul duratei lor de viață, Euclid și Observatorul Vera Rubin sunt așteptate să dezvăluie 100.000 de noi lentile gravitaționale – de 100 de ori mai multe decât cele cunoscute în prezent.
Cum vom găsi aceste 100.000 de lentile gravitaționale printre miliardele de galaxii observate de aceste telescoape? Nu este fezabil ca oamenii de știință să parcurgă singuri atâtea imagini.
Una dintre primele imagini făcute publice de Telescopul James Webb, roiul de galaxii denumit SMACS J0723.3−7327 fiind lentilă gravitațională pentru multe galaxii depărtate din spatele acestuia. Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI
În schimb, Euclid se bazează pe simpli pasionați de știință pentru a ajuta la instruirea modelelor de IA care trebuie să știe ce să caute. Prin faptul că oamenii examinează câteva imagini și clasifică dacă acestea conțin sau nu lentile gravitaționale, modelele de IA pot învăța din exemple și apoi pot analiza întregul set de date (dacă vrei să te implici, verifică site-ul lor).
De la lentile gravitaționale care oferă perspective unice asupra unor galaxii îndepărtate, până la studierea fenomenului pe eșantioane statistice ample pentru a înțelege însăși natura universului, lentilele gravitaționale fac totul. Ele sunt briceagul elvețian din trusa astronomului, iar noi suntem pe cale să fim copleșiți de descoperiri.
Traducere după The most powerful tool in an astronomer’s arsenal is a lens de Tania Barone, cercetător asociat în evoluția galaxiilor, Swinburne University of Technology.
