Oglądając zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), czy Kosmiczny Teleskop Hubble’a możemy zauważyć niekiedy pojawiające się łukowe zakrzywienia obrazu. Nie są to jednak błędy techniczne, lecz konsekwencje zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, wynikającego z ogólnej teorii względności.
Gromada galaktyk Abel 370 znajduje się w odległości 4 miliardów lat świetlnych od nas. W jej skład wchodzi kilkaset galaktyk związanych ze sobą grawitacyjnie. Na zdjęciu oprócz galaktyk widoczne są łuki świetlne, będące w rzeczywistości ugiętym światłem odległych galaktyk zlokalizowanych za gromadą Abell 370.
Rys historyczny
Pierwotnie owo zjawisko było uznawane przez samego Alberta Einsteina – twórcę OTW – za bardziej ciekawostkę matematyczną, niż coś, co może faktycznie istnieć. W ten sposób badania naukowe nad soczewkowaniem grawitacyjnym ustały na niemal pół wieku, tj. do roku 1986, kiedy Bohdan Paczyński – wybitny polski astronom i astrofizyk – opublikował pracę naukową zgłębiającą samo zjawisko, możliwości obserwacji, a także zastosowania jako narzędzie do poszukiwania ciemnej materii.
Podstawy fizyczne
Gdy w jakimś miejscu we wszechświecie znajduje się duże skupisko materii, to powoduje ono zakrzywienie czasoprzestrzeni. Przez zakrzywienie czasoprzestrzeni rozumiemy to, że w pobliżu tej dużej masy coś, co bez jej istnienia miałoby 1 metr długości, ma np. 20 metrów. Podobnie wydłuża się czas wraz ze zbliżaniem się do tejże masy.
Co więcej, światło porusza się po krzywej wymagającej najkrótszego czasu na jej przebycie. Zatem światło nie będzie poruszało się po linii prostej obok tego skupiska masy, tylko nieco odchyli swój tor.
Możemy to porównać do planowania trasy. Jeśli wyjeżdżamy z miasta A i chcemy dotrzeć do miasta B, a po drodze mamy miasto C, w którym na pewno będą korki, to lepiej będzie ominąć to miasto i w krótszym czasie dotrzeć do celu.
W toku ewolucji nasze oczy przystosowały się do prostoliniowego odbierania biegu światła, a więc jasne staje się, dlaczego w np. gromadzie galaktyk Abell 370 obserwujemy łukowe zniekształcenia obrazu.
Stąd kiedy światło znajdzie się w pobliżu np. gromady galaktyk, czy czarnej dziury, to zostanie ono zakrzywione i skupione. Bardzo podobny efekt, jednak nie pod wpływem grawitacji, zachodzi w soczewkach optycznych, gdzie występuje załamanie światła. Stąd wzięła się nazwa soczewkowania grawitacyjnego.
Ciekawostką jest, że konsekwencje wizualne soczewkowania grawitacyjnego możemy odtworzyć za pomocą specjalnego szkła.
Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu WarszawskiegoSzkło odtwarzającego wizualne efekty soczewkowania grawitacyjnego. Na zdjęciu zestawiono dwie takie soczewki, jedna przed drugą tak, że prosta przechodząca przez środki soczewek nie jest prostopadła do płaszczyzny zdjęcia.
Warunkiem koniecznym do zajścia soczewkowania grawitacyjnego jest obecność ciała tzw. soczewki grawitacyjnej i źródła światła (obiektu soczewkowanego) na jednej prostej, na której leży również obserwator. Zdaniem naukowców z Obserwatorium Astronomicznego UW gdybyśmy patrzyli na jedno źródło światła, to średnio co milion lat obserwowalibyśmy zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Oczywiście wielkość obserwowanego efektu zależy od szeregu różnych czynników – są nimi w dużej mierze masa soczewki oraz sama geometria układu. Stąd rozróżnia się różne podrodzaje soczewkowania grawitacyjnego ze względu na wielkość otrzymanego łuku (ściślej: tzw. pierścienia Einsteina).
Mikrosoczewkowanie
Szczególnie interesującym przypadkiem tegoż zjawiska jest mikrosoczewkowanie. Zachodzi ono zazwyczaj na obiektach rzędu masy gwiazd i planet.
Nazwa wzięła się z tego, iż obserwowane łuki są widoczne na sferze niebieskiej w mikrosekundach kątowych łuku. Innymi słowy, jedna sekunda kątowa łuku jest mniej więcej tych rozmiarów, co moneta o nominale 10 groszy oglądana z odległości 5000 kilometrów. Skoro rozmiary tych zniekształceń są takie małe, to nasuwa się pytanie, czy w ogóle jesteśmy w stanie je zobaczyć? Obecnie nie dysponujemy jeszcze na tyle precyzyjną aparaturą, aby dostrzec te łuki, zatem zamiast nich widoczne jest trwające jakiś czas pojaśnienie.
Mikrosoczewkowanie ma zaskakującą ilość zastosowań we współczesnej astronomii – jednym z nich jest, chociażby odkrywanie tzw. planet swobodnych – czyli obiektów o masach planet nie obiegających gwiazdy centralnej i praktycznie nieemitujących światła.
