เลนส์ความโน้มถ่วงวงแหวนของ Einstein: SDSS J163028.15 + 452036.2 เครดิตภาพ: ฮับเบิล คลิกเพื่อดูภาพขยาย
เมื่ออัลเบิร์ตไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาเกือบหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมาเขาเสนอว่าสนามแรงโน้มถ่วงจากวัตถุขนาดใหญ่สามารถแปรปรวนอวกาศและแสงสะท้อนได้อย่างมาก
ภาพลวงตาที่สร้างขึ้นจากเอฟเฟกต์นี้เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง เป็นธรรมชาติเทียบเท่ากับการมีเลนส์ขยายขนาดยักษ์ในอวกาศที่บิดเบือนและขยายแสงของวัตถุที่อยู่ไกลกว่า ไอน์สไตน์บรรยายถึงเลนส์ความโน้มถ่วงในกระดาษที่ตีพิมพ์ในปี 2479 แต่เขาคิดว่าผลกระทบนั้นไม่สามารถสังเกตเห็นได้เพราะการบิดเบือนทางแสงที่เกิดจากดาวฤกษ์เบื้องหน้าที่แปรปรวนพื้นที่จะเล็กเกินไปที่จะวัดได้โดยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่สุด
ขณะนี้เกือบหนึ่งศตวรรษต่อมานักดาราศาสตร์ได้รวมทรัพย์สินทางดาราศาสตร์ที่ทรงพลังสองรายการคือ Sloan Digital Sky Survey (SDSS) และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของนาซ่าเพื่อระบุกาแลคซีที่มีเลนส์ความโน้มถ่วง 19 ตัวซึ่งเพิ่มเข้ากับเลนส์ความโน้มถ่วง ในบรรดา 19 คนนี้พวกเขาพบสิ่งใหม่ที่เรียกว่า "วงแหวน Einstein" แปดอันซึ่งอาจเป็นการรวมตัวกันที่สง่างามที่สุดของปรากฏการณ์เลนส์ วงแหวนดังกล่าวเพียงสามดวงที่เคยเห็นในแสงที่มองเห็นได้
ในเลนส์ความโน้มถ่วงแสงจากกาแลคซีไกลโพ้นสามารถเบี่ยงเบนทางไปยังโลกด้วยสนามโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่ใด ๆ ที่อยู่ขวางทาง ด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นกาแลคซีบิดเบี้ยวเป็นภาพโค้งหรือภาพแยกหลายภาพ เมื่อกาแลคซีทั้งสองอยู่เรียงกันอย่างแน่นอนแสงจะก่อตัวเป็นรูปวัวตาเรียกว่าแหวนไอน์สไตน์รอบกาแลคซีเบื้องหน้า
เลนส์ที่ค้นพบใหม่มาจากโครงการต่อเนื่องที่เรียกว่า Sloan Lens ACS Survey (SLACS) ทีมนักดาราศาสตร์นำโดย Adam Bolton จากศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียนใน Cambridge, Mass. และ Leon Koopmans จากสถาบันดาราศาสตร์ Kapteyn ในเนเธอร์แลนด์เลือกเลนส์ผู้สมัครจากหนึ่งในพันของกาแลคซีทรงกลมในกาแลคซี การสำรวจท้องฟ้าดิจิตอล Sloan จากนั้นพวกเขาใช้สายตาที่เฉียบคมของกล้องขั้นสูงของฮับเบิลในการสำรวจเพื่อทำการยืนยัน
“ ขนาดใหญ่ของ SDSS พร้อมกับคุณภาพการถ่ายภาพของกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลได้เปิดโอกาสที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนสำหรับการค้นพบเลนส์ความโน้มถ่วงใหม่” โบลตันอธิบาย “ เราประสบความสำเร็จในการระบุกาแลคซี 1,000 แห่งที่แสดงสัญญาณการโน้มถ่วงของกาแลคซีอีกแห่งหนึ่งเหล่านี้”
ทีม SLACS สแกนสเปกตรัมของกาแลคซีประมาณ 200,000 ถึง 2 พันล้านปีแสง ทีมกำลังมองหาหลักฐานที่ชัดเจนว่ามีการปลดปล่อยจากกาแลคซีไกลจากโลกถึงสองเท่าและอยู่เบื้องหลังกาแลคซีที่อยู่ใกล้ยิ่งขึ้น จากนั้นพวกเขาใช้กล้องขั้นสูงของฮับเบิลสำหรับการสำรวจเพื่อจัดเก็บภาพของกาแลคซีแบบเลนส์ที่เหมาะสม 28 แห่ง จากการศึกษาอาร์คและวงแหวนที่ผลิตโดยผู้สมัคร 19 คนนักดาราศาสตร์สามารถวัดมวลของกาแลคซีเบื้องหน้าได้อย่างแม่นยำ
นอกเหนือจากการสร้างรูปร่างแปลก ๆ แล้วเลนส์ความโน้มถ่วงยังช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถตรวจสอบการกระจายสสารมืดในกาแลคซีทรงกลมได้โดยตรง สสารมืดเป็นรูปแบบของสสารที่มองไม่เห็นและแปลกใหม่ที่ยังไม่ได้สังเกตโดยตรง นักดาราศาสตร์สรุปการมีอยู่ของมันโดยการวัดอิทธิพลความโน้มถ่วงของมัน สสารมืดแพร่หลายในกาแลคซีและสร้างมวลรวมส่วนใหญ่ของเอกภพ ด้วยการค้นหาสสารมืดในกาแลคซีนักดาราศาสตร์หวังว่าจะได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการก่อตัวกาแลคซีซึ่งจะต้องเริ่มจากสสารมืดที่เป็นก้อนในเอกภพยุคแรก ๆ
“ ผลการวิจัยของเราระบุว่าโดยเฉลี่ยแล้วกาแลคซีเลนส์ elliptical รูปไข่เหล่านี้มีโครงสร้างความหนาแน่นมวลพิเศษแบบเดียวกับที่สังเกตในกาแลคซีกังหัน” โบลตันกล่าวต่อ “ สิ่งนี้สอดคล้องกับสัดส่วนของสสารมืดที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์เมื่อมันเคลื่อนห่างจากใจกลางกาแลคซีของเลนส์ไปสู่นอกเขตร้อน และเนื่องจากเจลาซีนของเลนส์เหล่านี้ค่อนข้างสว่างเราจึงสามารถทำให้ผลลัพธ์นี้มั่นคงขึ้นด้วยการสำรวจด้วยสเปคโทรสบนพื้นดินเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ในเลนส์”
“ ความสามารถในการศึกษาเลนส์เหล่านี้และเลนส์ความโน้มถ่วงอื่น ๆ ย้อนหลังไปหลายพันล้านปีทำให้เราสามารถเห็นได้โดยตรงว่าการกระจายตัวของความมืด [ที่มองไม่เห็น] และการเปลี่ยนแปลงของมวลที่มองเห็นได้ด้วยเวลาของจักรวาลหรือไม่” “ ด้วยข้อมูลนี้เราสามารถทดสอบแนวความคิดที่ถือกันโดยทั่วไปว่ากาแลคซีก่อตัวจากการชนและการควบรวมของกาแลคซีขนาดเล็ก”
การสำรวจท้องฟ้าดิจิตอล Sloan ซึ่งเลือกตัวอย่างผู้สมัครใช้เลนส์ SLACS เริ่มขึ้นในปี 2541 ด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่สร้างขึ้นเองเพื่อวัดสีและความสว่างของวัตถุมากกว่า 100 ล้านชิ้นในหนึ่งในสี่ของท้องฟ้าและแผนที่ ระยะทางถึงหนึ่งล้านกาแล็กซี่และควอซาร์ “ การสำรวจเลนส์ความโน้มถ่วงประเภทนี้ไม่ใช่เป้าหมายดั้งเดิมของ SDSS แต่ทำไปได้ด้วยคุณภาพที่ยอดเยี่ยมของข้อมูล SDSS” Scott Burles จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในเคมบริดจ์แมสซาชูเซตส์สมาชิกในทีม SLACS กล่าว และหนึ่งในผู้สร้างของ SDSS
“ โบนัสเพิ่มเติมของฐานข้อมูล SDSS ขนาดใหญ่คือเราสามารถออกแบบเกณฑ์การค้นหาของเราเพื่อหาเลนส์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่เฉพาะเจาะจง” Tommaso Treu สมาชิกทีม SLACS จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานตาบาร์บาร่ากล่าว . “ ขณะนี้เราได้เลือกกาแลคซีที่ใหญ่ที่สุดเป็นเป้าหมายของเราในขั้นตอนต่อไปของการสำรวจเรากำลังตั้งเป้ากาแลคซีเลนส์ขนาดเล็กลง มีข้อเสนอแนะว่าโครงสร้างของกาแลคซีเปลี่ยนไปตามขนาดกาแลคซี ด้วยการระบุวัตถุที่หายากเหล่านี้ตามความต้องการเราจะสามารถทดสอบเป็นครั้งแรกว่าเป็นจริงหรือไม่
เพิ่มสมาชิกในทีม SLACS Leonidas Moustakas จากห้องปฏิบัติการ NASA Jet Propulsion และสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียในเมืองพาซาดีนารัฐแคลิฟอร์เนีย:“ วงแหวน Einstein เหล่านี้ยังให้มุมมองภาพขยายที่ยอดเยี่ยมของกาแลคซีแบบเลนส์ทำให้เราศึกษาดาวและประวัติการก่อตัวของ กาแลคซีที่ห่างไกลเหล่านี้”
การสำรวจ SLACS ยังดำเนินต่อไปและจนถึงขณะนี้ทีมได้ใช้ฮับเบิลเพื่อศึกษากาแลคซีเลนส์ที่มีผู้สมัครเกือบ 50 คน ผลรวมทั้งหมดคาดว่าจะมากกว่า 100 ด้วยเลนส์ใหม่จำนวนมากในหมู่พวกเขา การค้นพบครั้งแรกของการสำรวจจะปรากฏในวารสาร Astrophysical Journal ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ 2549 และในเอกสารอีกสองฉบับที่ส่งไปยังวารสารนั้น
แหล่งต้นฉบับ: Hubblesite News Release
