Soczewki grawitacyjne: lupa z ciemnej materii

Kiedy oglądamy wspaniałe fotografie galaktyk spiralnych, Wtedy nie mamy żadnych podstaw, aby twierdzić, iż zbudowane są one z czegoś innego niż gwiazdy, obłoki gazowe i pył. Ten naturalny pogląd legł w gruzach w latach 70., gdy Vera Rubin i Ken Ford rozpoczęli na szeroką skalę zakrojone badania nad rotacją galaktyk.

Rotacja galaktyk

Z dopplerowskiego przesunięcia  widmowych światła emitowanego przez obłoki gazowe wyznaczyli, jak szybko galaktyki spiralne obracają się w różnych odległościach od centrum. Spodziewano się, że rotacja będzie gwałtownie malała w kierunku widocznego brzegu galaktyki. Lecz jest zupełnie inaczej! Galaktyki kontynuują szybki obrót nawet w dużych odległościach od centrum, gdzie nie widać już gwiazd — rotacją nie rządzi więc widoczna materia, lecz coś innego.

Obrót naszej galaktyki trudno wyznaczyć, ponieważ znajdujemy się wewnątrz niej. Pomimo to można dojść do wniosku, że Droga Mleczna obraca się tak szybko jak inne galaktyki spiralne, a jej prędkość liniowa wynosi około 23 km/s. W odległościach większych od odległości Słońca od centrum. Obserwacje te są interpretowane jako dowód istnienia ciemnego halo wokół galaktyk. Materia tworząca halo, przekraczająca kilkakrotnie masy widocznych gwiazd, ujawnia się tylko poprzez swoje oddziaływania grawitacyjne. Nie emituje żadnego obserwowanego promieniowania i o jej składzie wiemy bardzo mało. Lecz czy ciemna materia naprawdę istnieje?

Dużo niewidzialnego czegoś

W astronomii był niegdyś zwyczaj przypisywania tajemniczych widzialnych zjawisk czemuś niewidzialnemu, co czasami kończyło się pomyślnie (przypomnijmy planetę Neptun), ale nie
zawsze. Przytoczmy bardzo dawny przykład, gdy Anaksagoras uważał, że zaćmienia wywołuje nie tylko cień Ziemi, ale również czynią to ciemne ciała okrążające Ziemię w mniejszej odległości niż Księżyc. To raczej naturalne, że astronomowie próbują wyjaśnić współczesną ciemną materię jako skutek niepewności obserwacyjnych, nieodpowiednich metod lub nawet nowych właściwości newtonowskiej siły grawitacji. Pojawiły się jednak nowe rodzaje dowodów przemawiających silnie za oddziałującą grawitacyjnie ciemną materią.

Nowatorski sposób badania ciemnej materii, co podkreślają popularyzatorzy jak choćby blog kwantowo.pl, wykorzystuje soczewkowanie grawitacyjne. Istota zjawiska jest prosta: jeżeli na  drodze widzenia między obserwatorem a odległym obiektem (gwiazdą lub kwazarem) znajdzie się masywne ciało (będące soczewką), to jego pole grawitacyjne może ugiąć promienie światła i zogniskować je w kierunku obserwatora. Rolę soczewki mogą pełnić gwiazdy, galaktyki, jak również ciemne ciała niebieskie.

Soczewkowanie dzięki Einsteinowi

Zjawisko soczewkowania zostało po raz pierwszy obliczone w 1924 roku przez Oresta Chwolsona na Uniwersytecie w Petersburgu. Jeżeli linia widzenia między obserwatorern a odległą gwiazdą przecina linię gwiazdy (soczewkę), to obserwator dostrzeże świecący pierścień wokół gwiazdy. Pierścień jest zogniskowanym obrazem bardziej odległej gwiazdy. Chwolson przewidział również, że jeśli soczewki nie będą leżeć dokładnie na lini widzenia, obserwator ujrzy podwojny obraz zamiast pierścienia. W roku 1936 Albert Einstein niezależnie wykonal takie same obliczenia i stwierdził, że efekt ten musi być możliwy do zaobserwowania. Gdyby soczewki były podobne do Słońca, kątowy promień pierścienia byłby niezwykle mały i wynosiłby okolo jednej tysięcznej sekundy łuku dla odleglości wewnątrz Drogi Mlecznej, czyli byłby zbyt trudny do zaobserwowania.

Po obliczeniach Einsteina Fritz Zwicky wykazał, że galaktyki - miliardy razy bardziej masywne od gwiazd — moga, poprzez soczewkowanie wytwarzać pierścienie o promieniu kilku sekund łuku.

Mamy wiele soczewek

Upłynęło jednak czterdzieści lat zanim odkryto pierwszą soczewkę grawitacyjną. W tym przypadku galaktyka utworzyła podwójny obraz odległego kwazara. Dwa obrazy, nieznacznie oddzielone od siebie o 6 sekund łuku,  identyczne widma, co dobitnie świadczy, że są dwoma obrazami tego samego pojedynczego obiektu.

Obecnie znamy kilkadziesiąt obrazów uzyskanych przez soczewki grawitacyjne, wśród nich kilka z pierścieniarni Chwolsona-Einsteina, w literaturze nazywane są pierścieniami Einsteina.

Astronomowie traktują soczewki grawitacyjne bardzo poważnie. Są to rozdzielone obrazy odległych obiektów, i, co bardzo przydatne, strumień fotonów płynący od obiektu jest znacznie, nawet setki razy, wzmocniony. Soczewki grawitacyjne są gigantycznymi naturalnymi teleskopami, które umożliwiają obserwację bardzo słabych i odległych galaktyki są dobrym narzędziem badania ciemnej materii, gdyż niosą informację o sumarycznych masach oddziałujących grawitacyjnie i o rozmiarach samych soczewek.