Τι είναι ο βαρυτικός φακός — και πώς βοήθησε να αποδείξει ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο

Το 1915, ένας φυσικός με το όνομα Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε μια θεωρία που κατάφερε να συνδέσει την καμπυλότητα του χωροχρόνου με την ενέργεια. Ονομάζεται Γενική Σχετικότητα και ο Αϊνστάιν εστίασε σε αυτήν ως έναν τρόπο να φέρει τη βαρύτητα στο προηγούμενο έργο του για την ειδική σχετικότητα.

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας λέει ότι η βαρυτική έλξη μεταξύ των μαζών των αντικειμένων προέρχεται από τη στρέβλωση του χωροχρόνου τους. Οπλισμένη με αυτή τη διορατικότητα, η γενική σχετικότητα ήταν σε θέση να προβλέψει πολλά πράγματα, συμπεριλαμβανομένης της πιο διάσημης επιβεβαίωσης ότι υπάρχουν βαρυτικά κύματα. Αλλά για πολύ καιρό, δεν υπήρχε άμεση απόδειξη. Η πρώτη άμεση απόδειξη προήλθε από τον βαρυτικό φακό.

Όπως συζητούσαμε, η ενέργεια και η καμπυλότητα του χρόνου-χώρου σχετίζονται. Τα πιο ογκώδη αντικείμενα είναι ικανά να καμπυλώνουν τον ίδιο τον χωροχρόνο. Σκεφτείτε μια μπάλα σε ένα τεντωμένο φύλλο:η μπάλα καμπυλώνει το φύλλο και αν αφήσετε ένα μικρότερο αντικείμενο να γλιστρήσει σε αυτό το φύλλο, θα κινηθεί προς την μπάλα.

Η έκπληξη είναι ότι κάτι παράλογα ογκώδες μπορεί ακόμη και να κάμψει το φως. Ναι, το φως, το πιο γρήγορο πράγμα που μεταφέρει πληροφορίες στο σύμπαν, μπορεί να λυγίσει — κάπως έτσι. Αυτό είναι το «καινοτόμο» πράγμα σχετικά με τη γενική σχετικότητα, η θεωρία επιτρέπει ακόμη και αντικείμενα που δεν έχουν μάζα να επηρεαστούν από τη βαρύτητα. Τα φωτόνια είναι τα σωματίδια που αποτελούν το φως και έχουν μηδενική μάζα, επομένως το φως μπορεί να παραμορφωθεί παρουσία ισχυρού βαρυτικού πεδίου.

Πώς λειτουργεί — και τι σχέση έχουν οι φακοί με αυτό

Το γεγονός ότι οι φακοί μπορούν να παραμορφώσουν τις εικόνες δεν χρειάζεται καθόλου σχετικότητα. Ένα ποτήρι γεμάτο με νερό μπορεί να παραμορφώσει το φως πίσω ή μέσα στο ποτήρι. Στους φωτογραφικούς φακούς, εάν δεν διορθωθούν, οι εικόνες είναι καμπύλες και δεν φαίνονται ρεαλιστικές.

Οι επιστήμονες γνώριζαν τους φακούς και τα αποτελέσματά τους εδώ και πολύ καιρό, αλλά με την εμφάνιση των τηλεσκοπίων, συνειδητοποίησαν επίσης ότι αντικείμενα με πολύ μεγάλες μάζες (μερικά αστέρια, γαλαξίες, μαύρες τρύπες) παραμορφώνουν το φως με παρόμοιο τρόπο με τους φακούς εδώ στη Γη . Επομένως, αυτά τα ουράνια αντικείμενα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ένα είδος φακού — ένας βαρυτικός φακός.

Όταν ο φακός και ο στόχος είναι αρκετά κοντά (από αστρονομική σκοπιά) και ευθυγραμμίζονται στενά, μπορούν να σχηματιστούν πολλαπλές εικόνες, που εμφανίζονται σε σχήμα τόξου — αυτό ονομάζεται ισχυρός φακός. Ο πολλαπλασιασμός της εικόνας μιας πηγής φωτός μπορεί να είναι εκτός συγχρονισμού λόγω της καμπυλότητας του χώρου. Ορισμένες εικόνες θα χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να φτάσουν στον παρατηρητή επειδή το φως ακολουθεί μεγαλύτερη διαδρομή.

Όταν ο φακός και η πηγή βρίσκονται σε σχεδόν τέλεια ευθυγράμμιση, η εικόνα παραμορφώνεται σε σχήμα δακτυλίου, που ονομάζεται δακτύλιος Einstein-Chwolson. Τα πιο διάσημα φαινόμενα πολλαπλών εικόνων είναι οι λεγόμενοι «σταυροί του Αϊνστάιν» — όπου η εικόνα μιας μοναδικής πηγής παραμορφώνεται σε σχήμα σταυρού, εμφανίζονται τέσσερις ακόμη εκδοχές του στόχου λόγω του βαρυτικού φαινομένου.

Εν τω μεταξύ, ο ασθενής φακός συμβαίνει όταν η εικόνα είναι παραμορφωμένη, αλλά χωρίς αντίγραφα του στόχου — απλώς μια παραμόρφωσή του με επιμήκη σχήματα. Ο μικροφακισμός, από την άλλη, έχει να κάνει με την κίνηση, είτε με την πηγή, είτε με τον φακό είτε με εμάς. Η κίνηση αλλάζει τη μεγέθυνση της πηγής κάνοντας τα αντικείμενα που συνήθως είναι δύσκολο να παρατηρηθούν πιο φωτεινά.

Απόδειξη ότι ο Αϊνστάιν έχει δίκιο

Ο βαρυτικός φακός ήταν μια από τις βασικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την απόδειξη της Γενικής Σχετικότητας. Το 1919, μια έκλειψη Ηλίου ήταν παρατηρήσιμη σε ορισμένες χώρες στο Νότιο Ημισφαίριο και το αστρικό σμήνος Υάδες έτυχε να βρίσκεται στο ίδιο εύρος θέασης με τον Ήλιο. Ο Sir Frank Watson Dyson έστειλε δύο αποστολές σε διαφορετικές τοποθεσίες του πλανήτη για να παρατηρήσει την έκλειψη - συμπτωματικά, δύο μέρη που μιλούσαν πορτογαλικά - μια στη Λαϊκή Δημοκρατία του Σάο Τομέ και Πρίνσιπε (τότε ονομαζόταν «το νησί του Πρίνσιπε», με τον Άρθουρ Ο Eddington και ο Edwin Cottingham και ένας άλλος στην πόλη Sobral στη Βραζιλία με τον Charles Davidson και τον Andrew Crommelin. 

Η ομάδα στο Sobral βρήκε καλύτερες καιρικές συνθήκες και κατέγραψε 7 εικόνες σε αντίθεση με τις μόνο 2 εικόνες της ομάδας του Πρίνσιπε. Αργότερα, η ανάλυση των φωτογραφικών πλακών πραγματοποιήθηκε με εκτίμηση της γωνίας εκτροπής από τα δύο πειράματα. Και με τα δύο αποτελέσματα, λαμβάνοντας υπόψη τη γραμμή σφάλματος, η παρατήρηση επιβεβαίωσε τη θεωρία. Παρά τα στοιχεία, η επιβεβαίωση δεν έδωσε στον Αϊνστάιν άμεσο κύρος. Άλλες εκλείψεις έπρεπε να βοηθήσουν και η επιστημονική κοινότητα πήρε χρόνο για να αφομοιώσει τη θεωρία.

Τι μπορούμε να βρούμε με τον βαρυτικό φακό;

Τα εφέ φακού δεν εμφανίζονται όταν υπάρχει ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας στο εύρος προβολής μας. Η σκοτεινή ύλη είναι τεράστια, επομένως έχει βαρυτικό πεδίο. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν βαρυτικό φακό για να υπολογίσουν την ποσότητα της σκοτεινής ύλης από γιγάντια σμήνη γαλαξιών.

Ο μικροφακός μπορεί να βοηθήσει τους αστρονόμους/αστροφυσικούς να βρουν εξωπλανήτες. Όταν ένας φακός περνά μπροστά από ένα αστέρι, η φωτεινότητα του θα έχει μέγιστη ευθυγράμμιση και καθώς η κίνηση συνεχίζεται επιστρέφει στην αρχική μεγέθυνση. Κάθε φορά που το αστέρι επισκιάζεται από έναν πλανήτη, θα εμφανίζονται ανωμαλίες στην εξέλιξη της φωτεινότητας και οι ερευνητές μπορούν να επιβεβαιώσουν την παρουσία ενός πλανήτη-ξενιστή.

Θυμάστε το Cosmic Microwave Background (CMB); Είναι η παλαιότερη «εικόνα» του σύμπαντος, όταν τα φωτόνια μπορούσαν να ταξιδεύουν ελεύθερα χωρίς αλληλεπίδραση με την ύλη. Τα φωτόνια είναι ελαφριά, τα πάντα στο μονοπάτι του φωτός μπορούν να το λυγίσουν. Οι επιστήμονες μπορούν να γνωρίζουν πόσο παραμορφωμένο είναι το CMB αναλύοντας τη σκοτεινή ύλη.

Ο δορυφόρος Planck ήταν το πρώτο όργανο που έδωσε αποτελέσματα σχετικά με την κατανομή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν μέσω του βαρυτικού φακού. Στην εικόνα που απεικονίζει αυτήν την κατανομή, το γκρι χρώμα αντιπροσωπεύει τον Γαλαξία και τους πολύ φωτεινούς κοντινούς γαλαξίες. πρέπει να αποκλείονται γιατί μπλέκουν με τις μετρήσεις. Το σκούρο μπλε είναι περιοχές με περισσότερη σκοτεινή ύλη από τα φωτεινά τμήματα.

Εάν περιμένετε ένα ορισμένο ποσό προσπάθειας, αν όχι αγωνίζεστε μόνο για να ανιχνεύσετε μερικούς γαλαξίες, οι επιστήμονες ήδη σκέφτονται τα βαρυτικά κύματα με φακό. Πόσο δύσκολο μπορεί να είναι, σωστά; Προβλέπουν μια ώθηση στο σήμα των βαρυτικών κυμάτων εάν ενισχύονται από ισχυρό φακό. Το πρόβλημα είναι ότι βοηθά επίσης στην αύξηση του θορύβου/λάθους στις παρατηρήσεις. Μέχρι τότε, γίνεται πολλή δουλειά με τον βαρυτικό φακό, κάτι που προήλθε από μια πολύ αφηρημένη θεωρία, αποδεικνύοντας ότι η θεωρητική εργασία αξίζει σεβασμού.