Phoebe Newman 
To zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a pokazuje trzy powiększone obrazy odległej galaktyki osadzonej w grupie galaktyk. Te obrazy są tworzone przez sztuczkę natury zwaną soczewkowaniem grawitacyjnym. Masywna grawitacja gromady galaktyk wzmacnia i zniekształca światło z odległej galaktyki za nią, tworząc wiele obrazów. Gromada galaktyk, sklasyfikowana jako SDSS J223010.47-081017.8, znajduje się 7 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Hubble zaobserwował wiele galaktyk z soczewkami grawitacyjnymi. Jednak obrazy uchwycone w tej migawce Hubble’a są wyjątkowe. Dwa z powiększonych obrazów, pokazane w chmurach w prawym dolnym rogu, są dokładnymi kopiami siebie. Dwa jasne owale to serce galaktyki. To rzadkie zjawisko występuje, ponieważ galaktyka tła jest zmarszczką w strukturze kosmosu. Ta „fala” jest obszarem większej inflacji, ze względu na przyciąganie gęstych ilości ciemnej materii, niewidzialnego kleju, który stanowi większość masy wszechświata. Gdy światło z odległej galaktyki przechodzi przez gromadę wzdłuż tej zmarszczki, powstają dwa lustrzane odbicia wraz z trzecim obrazem, który można zobaczyć z boku. Zbliżenie na trzeci obraz jest widoczne w chmurach w prawym górnym rogu. Ten obraz jest bardzo podobny do odległej galaktyki, która znajduje się ponad 11 miliardów lat świetlnych od nas. Na podstawie tej rekonstrukcji tego obrazu naukowcy ustalili, że odległa galaktyka wydaje się być zygzakowatą spiralą z ciągłym tworzeniem się skupisk gwiazd. Odbicia lustrzane zostały nazwane na cześć „ciała Hamiltona” astronoma, który je odkrył. Źródło: Joseph DePasquale (STScI)
Wpatrywanie się we wszechświat jest jak patrzenie w lustro zabawnego domu. Dzieje się tak, ponieważ grawitacja zniekształca tkankę przestrzeni, tworząc złudzenia optyczne.
Wiele z tych złudzeń optycznych pojawia się, gdy światło odległej galaktyki jest powiększane, rozciągane i rozjaśniane, gdy przechodzi przez masywną galaktykę lub gromadę galaktyk przed nią. Zjawisko to, zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, daje wielokrotne, rozszerzone, jasne obrazy galaktyki tła.
Zjawisko to pozwala astronomom badać galaktyki tak odległe, że można je zobaczyć tylko dzięki soczewce grawitacyjnej. Wyzwaniem jest próba zrekonstruowania odległych galaktyk z dziwnych kształtów wytwarzanych przez soczewki.
Ale astronomowie używają Kosmiczny teleskop Hubble Na taki dziwny kształt natknąłem się, analizując kwazary, tlące się jądra aktywnych galaktyk. Zauważyli dwa jasne, liniowe obiekty, które wydawały się być swoimi lustrzanymi odbiciami. W pobliżu znajdowała się inna dziwna istota.
Te cechy tak bardzo zdezorientowały astronomów, że rozwikłanie zagadki zajęło im kilka lat. Z pomocą dwóch ekspertów od soczewkowania grawitacyjnego naukowcy ustalili, że trzy obiekty były zniekształconymi obrazami odległej, nieodkrytej galaktyki. Jednak największą niespodzianką było to, że obiekty liniowe były dokładnymi kopiami siebie nawzajem, co jest rzadkim zdarzeniem spowodowanym precyzyjnym ustawieniem galaktyki tła i jej grupy soczewek na pierwszym planie.
Animacja 3D przedstawiająca Kosmiczny Teleskop Hubble’a nad Ziemią. Źródło: ESA/Hubble (M. Kornmesser i LL Christensen)
Astronomowie widzieli bardzo dziwne rzeczy rozrzucone po całym naszym rozległym wszechświecie, od wybuchających gwiazd po zderzające się galaktyki. Dlatego możesz pomyśleć, że kiedy zobaczą dziwne ciało niebieskie, będą w stanie je zidentyfikować.
ale NASAKosmiczny Teleskop Hubble’a odkrył coś, co wydaje się być parą podobnie wyglądających obiektów, tak dziwnych, że ustalenie, czym one są, zajęło astronomom kilka lat.
„Byliśmy naprawdę zaskoczeni” – powiedział astronom Timothy Hamilton z Shawnee State University w Portsmouth w stanie Ohio.
UFO składają się z pary galaktycznych zgrubień (wypełnionej gwiazdami centralnej osi galaktyki) i co najmniej trzech oddzielnych równoległych linii. Hamilton odkrył je przypadkowo, używając Hubble’a do zbadania grupy kwazarów, tlących się jąder aktywnych galaktyk.
Po ściganiu ślepych zaułków teorii, proszeniu kolegów o pomoc i wielu drapaniu, Hamilton i rosnący zespół kierowany przez Richarda Griffithsa z University of Hawaii w Hilo w końcu łączą wszystkie wskazówki, aby rozwiązać zagadkę.
Obiekty liniowe były rozciągniętymi obrazami odległej galaktyki z soczewką grawitacyjną, znajdującą się w odległości ponad 11 miliardów lat świetlnych. Wydawały się być identycznymi obrazami siebie.
Zespół odkrył, że ogromna grawitacja grupy nakładających się na siebie i niewbudowanych galaktyk na pierwszym planie galaktyk zniekształca, wzmacnia, rozjaśnia i rozszerza przestrzeń odległej galaktyki za nią, zjawisko zwane soczewkowaniem grawitacyjnym. Chociaż przeglądy Hubble’a ujawniają wiele z tych zwierciadeł i zwierciadeł spowodowanych soczewkowaniem grawitacyjnym, obiekt ten był wyjątkowo tajemniczy.
W tym przypadku subtelne wyrównanie między galaktyką w tle a gromadą galaktyk na pierwszym planie daje dwie powiększone kopie tego samego obrazu odległej galaktyki. To rzadkie zjawisko występuje, ponieważ galaktyka tła jest zmarszczką w strukturze kosmosu. Ta „fala” jest obszarem większej inflacji, ze względu na przyciąganie gęstych ilości ciemnej materii, niewidzialnego kleju, który stanowi większość masy wszechświata. Gdy światło z odległej galaktyki przechodzi przez gromadę wzdłuż tej zmarszczki, powstają dwa lustrzane odbicia wraz z trzecim obrazem, który można zobaczyć z boku.
Griffiths porównuje ten efekt do jasnych falistych wzorów widocznych na dnie basenu. „Pomyśl o falistej powierzchni basenu w słoneczny dzień, pokazującej wzory jasnego światła na dnie basenu” – wyjaśnił. Te jasne wzory na dole są spowodowane podobnym efektem soczewkowania grawitacyjnego. Zmarszczki na powierzchni działają jak częściowe soczewki i skupiają światło słoneczne na błyszczących zygzakowatych wzorach poniżej.”
W odległej galaktyce z soczewką grawitacyjną, tętnienie powiększa i zniekształca światło z galaktyki tła przechodzące przez gromadę. Pofałdowanie działa jak niedoskonale zakrzywione lustro, które generuje duplexy.
rozwiąż zagadkę
Ale to rzadkie zjawisko nie było dobrze znane, gdy Hamilton odkrył dziwne cechy liniowe w 2013 roku.
Gdy spojrzał przez obrazy kwazara, pojawiło się ujęcie odbitych obrazów i równoległych linii. Hamilton nigdy wcześniej nie widział czegoś takiego, podobnie jak żaden z pozostałych członków zespołu.
„Moją pierwszą myślą było to, że mogły wchodzić w interakcje z galaktykami z wyciągniętymi ramionami w spiczasty sposób” – powiedział Hamilton. „To nie pasowało, ale też nie wiedziałem, co o tym myśleć”.
Tak więc Hamilton i zespół wyruszyli na poszukiwanie rozwiązania zagadki tych kłopotliwych linii prostych, które później nazwano „Obiektem Hamiltona” dla ich odkrywcy. Pokazali dziwny obraz kolegom na konferencjach astronomicznych, które wywołały różne reakcje, od kosmicznych strun po mgławice planetarne.
Ale wtedy Griffiths, który nie był członkiem oryginalnego zespołu, przedstawił najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie, gdy Hamilton pokazał mu zdjęcie na spotkaniu NASA w 2015 roku. Był to powiększony, zniekształcony obraz spowodowany zjawiskiem soczewkowania podobnym do tego, które widziano na Hubble’a. Inne zdjęcia masywnych gromad galaktyk wzmacniają obrazy bardzo odległych galaktyk. Griffiths potwierdził ten pomysł, gdy dowiedział się o podobnym obiekcie liniowym podczas przeglądu Hubble’a w gromady głębokiej.
Jednak badacze wciąż mieli problem. Nie potrafili określić masy soczewki. Zazwyczaj astronomowie badający gromady galaktyk najpierw widzą gromadę pierwszego planu powodującą odbicie, a następnie znajdują powiększone obrazy odległych galaktyk w gromadzie. Przeszukiwanie obrazów Sloan Digital Sky Survey ujawniło gromadę galaktyk w tym samym regionie, co powiększone obrazy, ale nie pojawiły się one w żadnym indeksowanym przeglądzie. Jednak fakt, że dziwne obrazy znajdowały się w centrum gromady, wyjaśnił Griffithsowi, że gromada wytwarzała obrazy soczewkowe.
Kolejnym krokiem naukowców było ustalenie, czy trzy obrazy zostały soczewkowane w tej samej odległości, a zatem wszystkie były zniekształconymi obrazami tej samej odległej galaktyki. Pomiary spektroskopowe z obserwatoriów Gemini i WM Keck na Hawajach pomogły naukowcom potwierdzić to stwierdzenie, pokazując, że zdjęcia pochodziły z galaktyki oddalonej o ponad 11 miliardów lat świetlnych.
Odległa galaktyka, oparta na rekonstrukcji trzeciego obrazu przez soczewkę, wygląda jak zygzakowaty wir z ciągłym formowaniem się zbrylonych gwiazd.
Mniej więcej w tym samym czasie co obserwacje spektroskopowe dokonane przez Griffitha i studentów studiów licencjackich w Hilo, oddzielna grupa badaczy w Chicago określiła masę i zmierzyła jej odległość za pomocą danych Sloana. Gromada znajduje się ponad 7 miliardów lat świetlnych od nas.
Jednak mając tak mało informacji o gromadzie, zespół Griffithsa wciąż miał problemy z wyjaśnieniem tych niezwykłych kształtów soczewek. „To soczewkowanie grawitacyjne bardzo różni się od większości soczewek, które Hubble badał wcześniej, szczególnie w przeglądzie gromad Hubble Frontier Fields” – wyjaśnił Griffiths. „Nie trzeba zbyt długo wpatrywać się w te gromady, aby znaleźć wiele soczewek. W tym obiekcie jest to jedyny obiektyw, jaki mamy. I na początku nawet nie wiedzieliśmy o gromadzie”.
Niewidoczne mapowanie
Wtedy Griffith skontaktował się z ekspertem w dziedzinie teorii soczewek grawitacyjnych, Jenny Wagner z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech. Wagner badał podobne obiekty i wraz ze swoim kolegą Nicholasem Tessurem, pracującym obecnie na Uniwersytecie w Manchesterze w Anglii, opracował program komputerowy do interpretacji takich unikalnych soczewek. Ich oprogramowanie pomogło zespołowi odkryć, w jaki sposób trzy obrazy wyglądały za pomocą obiektywu. Doszli do wniosku, że ciemna materia wokół rozszerzonych obrazów powinna być „gładko” rozłożona w przestrzeni w małych skalach.
„To wspaniałe, że potrzebujemy tylko dwóch odbić lustrzanych, aby uzyskać miarę tego, jak grudkowata ciemna materia znajduje się w tych pozycjach, czy nie” – powiedział Wagner. „Tutaj nie używamy żadnych modeli obiektywów. Po prostu bierzemy to, co można zaobserwować z wielu obrazów i fakt, że można je połączyć. Można je złożyć naszą metodą. To naprawdę daje nam wyobrażenie o tym, jak gładka jest ciemna materia w tych dwóch pozycjach”.
To odkrycie jest ważne, powiedział Griffiths, ponieważ astronomowie wciąż nie wiedzą, czym jest ciemna materia, prawie sto lat po jej odkryciu. Wiemy, że jest to forma materii, ale nie mamy pojęcia, z czego zbudowana jest cząstka. Więc w ogóle nie wiemy, jak się zachowuje. Wiemy tylko, że ma masę i podlega grawitacji. Znaczenie limitów wielkości w aglomeracji lub gładkości polega na tym, że dają nam pewne wskazówki na temat tego, czym jest cząsteczka. Im mniejsza ciemna materia, tym bardziej masywne powinny być cząstki”.
Artykuł zespołu ukazuje się we wrześniowym wydaniu Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
Odniesienie: „Ciało Hamiltona – skupiona galaktyka rozciągająca się wzdłuż żrącej grawitacji galaktycznego tłumu: ograniczenia skupienia ciemnej materii” autorstwa Richarda E. Griffithsa, Mitchella Rudisela, Jenny Wagner, Timothy’ego Hamiltona, Bo Chih Huang i Caroline Felforth, 17 maja, 2021, Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stab1375
Kosmiczny Teleskop Hubble’a to międzynarodowy projekt współpracy NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Teleskop jest obsługiwany przez Goddard Space Flight Center NASA w Greenbelt w stanie Maryland. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland prowadzi operacje naukowe Hubble’a. STScI jest obsługiwany dla NASA przez Konsorcjum Uniwersytetów do Badań Astronomii w Waszyngtonie
