Před sto lety Albert Einstein představil radikálně nový způsob myšlení o gravitační síle. Jeho obecná teorie relativity předpokládala, že prostor není prázdná aréna, ve které se odehrávají události vesmíru - ale aktivní účastník těchto událostí.
Podle obecné relativity, vše, co má hmotnost - hvězda, planeta, vydra - zkresluje prostor kolem něj a způsobuje jeho zakřivení. Prostorové křivky prostoru a toto zakřivení říká jiné záležitosti, jak se pohybovat. My lidé jsme špatně vybaveni k tomu, abychom si představili zakřivený trojrozměrný prostor, takže zde je dvourozměrná analogie: pokud je na trampolínu položen těžký míč, povrch trampolíny se ohne. Pokud pak přejdete kuličkami přes povrch trampolíny, jejich cesty budou zakřivené. Je to nedokonalá analogie, ale vyjadřuje obecný nápad. Tento princip je důvodem, proč Země sleduje zakřivenou cestu kolem Slunce a Měsíc sleduje zakřivenou cestu kolem Země.
Klíčovým rysem obecné relativity je to, že zakřivení prostoru ovlivňuje cestu světla i hmoty. Tento efekt se nazývá „gravitační čočka“. Ukázalo se, že se liší od toho, jak se světlo chová za newtonovské gravitace, takže okamžitým použitím gravitačních čoček je testování, zda je obecná relativita skutečná. Ukázalo se také, že je velmi užitečný pro studium nejvzdálenějších koutů vesmíru, protože způsobuje zvětšení obrázků vzdálených galaxií.
Jak funguje gravitační čočka? Pokud světlo cestující k nám z nějaké vzdálené hvězdy projde jiným masivním objektem - řekněme, další hvězdou nebo galaxií - toto světlo se odkloní a jeho cesta se změní. Když toto světlo dopadne na Zemi, zdá se, že přichází z jiného směru, než je jeho původní cesta. Vidíme hvězdu, že je na obloze na jiném místě, než kde se ve skutečnosti nachází. Tento zřejmý pohyb hvězdy na pozadí je přesně dvojnásobkem toho, co byste viděli v newtonovské gravitaci; proto poskytuje jednoduchý způsob, jak otestovat Einsteinovu teorii.
Abychom změřili, jak moc se obraz hvězdy pohnul, musíte ji však pozorovat před i po tom, co je jeho světlo odkloněno intervenující hmotou. Obvykle nemáme možnost dostat se daleko od Země, abychom viděli vzdálené hvězdy ze dvou různých úhlů, ale můžeme využít skutečnosti, že se pohybujeme kolem Slunce.
Pokud pozorujeme hvězdu v opačné části oblohy od Slunce, vidíme její „pravou“ polohu. O šest měsíců později bude hvězda ve stejné části oblohy jako slunce, a pak můžeme změřit, kolik světla hvězdy vychýlí hmota slunce. Obvykle nemůžeme pozorovat hvězdy, když jsou blízko slunce, protože je den, kdy slunce svítí. Ale za určitých okolností to můžeme. Jednou je slunce, ale slunce je blokováno: úplné zatmění Slunce.
V květnu 1919 astronomové zahlédli zatmění Slunce, které bylo vidět z části Afriky i Jižní Ameriky. Aby se maximalizovala šance na úspěšné pozorování zatmění, byly vyslány dva týmy: jeden do Brazílie a druhý vedený sirem Arthurem Eddingtonem na ostrov Principe u pobřeží západní Afriky. Navzdory částečnému oblačnosti byl Eddingtonův tým úspěšný. Odklon světla, který měřili od hvězd v klastru Hyades, dokonale ladil s Einsteinovou teorií.
Během úplného zatmění Slunce 29. května 1919 Sir Arthur Eddington (vpravo) potvrdil Einsteinovu obecnou teorii relativity výpočtem vychýlení hvězdného světla vedle Slunce. (AKG) Tento objev byl významný. „SVĚTLA VŠECHNY POTVRZUJÍCÍ V NEBEZPEČÍ. EINSTEINOVSKÁ TEORIE, “ prohlásil New York Times. (Dodal: „Muži vědy více či méně agogují nad výsledky pozorování Eclipse.“) Potvrzení poskytlo okamžik jednoty ve světě roztrženém válkou; jak poznamenal fyzik JP McEvoy ve své knize Eclipse z roku 1999, „novou teorii vesmíru, mozku německého Žida pracujícího v Berlíně, potvrdil anglický kvaker na malém africkém ostrově.“
Teprve v roce 1936 si švýcarský astronom jménem Fritz Zwicky uvědomil potenciál gravitačních čoček jako nástroje ke studiu vesmíru mimo naše hvězdné okolí. Při výpočtu množství shluků galaxií - v té době známých jako extragalaktické mlhoviny - Zwicky poznamenal, že existuje velká šance, že vzdálenější galaxie umístěné za nimi by se při průchodu těmito shluky odrazily. V roce 1937 napsal, že tento efekt „by nám umožnil vidět mlhoviny na vzdálenosti větší, než jsou ty, které obvykle dosahují i ty největší dalekohledy“.
Klíčem k této koncepci je vlastnost gravitačních čoček, díky nimž je neuvěřitelně užitečné: Světlo, které by se od nás jinak odvádělo, je obráceno v našem směru, což znamená, že vidíme více světla z čočkových zdrojů, než bychom obvykle měli. Jinými slovy, jsou vzdálené galaxie, které náhodou leží za masivními objekty, zvětšeny. A protože shluky galaxií jsou nejmasivnější struktury ve vesmíru, jsou to nejlepší lupy, které příroda může nabídnout.
Téměř 50 let Zwickyho návrh získal malou pozornost. Potenciální čočkové galaxie byly nakonec příliš slabé na to, aby byly vidět. To se změnilo v 80. letech, kdy vývoj prvních digitálních zobrazovacích zařízení nahradil fotografické desky a dramaticky zvýšil citlivost dalekohledů na slabé zdroje.
V roce 1986 byl v clusteru galaxií Abell 370 objeven dramatický rozšířený oblouk. Dlouhý červený oblouk na tomto obrázku se ukázal být dvakrát tak daleko jako samotný cluster: je to galaxie v pozadí - spirála podobná Mléčné dráze - jehož světlo bylo zkresleno hmotou shluku a táhlo ho do tohoto obrovského oblouku. O deset let později, další čočka galaxie zlomil rekord pro nejvzdálenější známý objekt, poprvé od šedesátých let, kdy pravidelná galaxie - ne kvasar, nejjasnější objekty ve vesmíru - držela tento záznam.
Tento snímek Hubbleova kosmického dalekohledu s dlouhou expozicí masivního galaxiového klastru Abell 2744 (v popředí) je vůbec nejhlubší ze všech skupin galaxií. (NASA / ESA) V roce 2009 bylo spuštěním Hubbleovho kosmického dalekohledu (HST) poskytnuto nejcitlivější obrázky, jaké kdy byly získány ze vzdáleného vesmíru, a jeho závěrečná servisní mise přidala novou extrémně citlivou téměř infračervenou kameru. V současné době probíhá Hubbleův nový program, který slibuje posunout hranice našeho pohledu do vesmíru ještě dále: program Hubble Frontier Fields.
Myšlenkou tohoto programu je udělat neuvěřitelně hluboká pozorování, která odhalí nejslabší a nejvzdálenější galaxie - ale strategicky zaměřená na shluky galaxií tak, aby mohly těžit z zvětšení účinku gravitačních čoček. Program pokryje celkem šest masivních klastrů galaxií, z nichž pět bylo dosud dokončeno. Vedoucí vědec projektu Frontier Fields, Jen Lotz, jej popsal jako „nejhlubší pohled na vesmír, jaký kdy byl vzat.“
„Frontier Fields je experiment, “ říká Matt Mountain, prezident Asociace univerzit pro výzkum v astronomii (AURA) a bývalý ředitel vědeckého institutu Space Telescope Science Institute, který provozuje Hubble. Hlavní otázka experimentu: „Můžeme použít Hubbleovu vynikající kvalitu obrazu a Einsteinovu teorii obecné relativity k hledání prvních galaxií?“
Předběžná analýza prvních hraničních polí již začala přinášet bohatý vhled do raného vesmíru. Daleko za prvním klastrem, Abell 2744, jsme našli zvětšené obrazy skupiny galaxií v raném vesmíru - jen několik set milionů let po Velkém třesku - které mohou být v procesu vytváření vlastního klastru.
Pečlivá studie obrázků Frontier Fields odhalí galaxie zvětšené 50krát nebo více gravitačním objektivem. To jsou některé z nejslabších galaxií, jaké kdy byly v raném vesmíru vidět. Nejmenší z nich se stane něčím jako trpaslík Fornax, malá galaxie, která obíhá Mléčnou dráhu a má asi tisícinu své hmotnosti. Ačkoli je to podle standardů pro galaxii nepatrné, z Frontier Fields se dozvídáme, že v ranném vesmíru bylo obrovské množství malých galaxií. Ve skutečnosti tolik, že společně mohli být zodpovědní za většinu energie během prvních miliard let vesmíru.
Meze toho, jak daleko do minulosti můžeme vidět, jsou dány schopnostmi Hubbleova vesmírného dalekohledu. Úplně první galaxie posunuly své světlo tak daleko do infračerveného světla díky expanzi prostoru, že je Hubble nevidí. Všechno se to změní v roce 2018, kdy Hubbleův nástupce, James Webb Space Telescope, bude spuštěn v roce 2018. S větším zrcadlem a citlivějšími kamerami, které mohou vidět dál do infračerveného záření, nám Webb umožní nahlédnout ještě dále do minulosti a zobrazit dokonce slabší galaxie. Zaměřením Webb na klastry galaxií a pomocí gravitačních čoček k naší výhodě můžeme tyto limity ještě více posunout.
Za pouhých pár let se možná podíváme na úplně první galaxie, které se kdy vytvořily.
