Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Zespół prof. dr. hab. Marka Biesiady z Zakładu Astrofizyki i Kosmologii w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego podejmuje w swoich pracach problem wykorzystania silnych soczewek grawitacyjnych w roli nowego testu kosmologicznego, współpracując przy tym z badaczami z Chin i Francji. Zakład nawiązał  m.in.współpracę z Instytutem Astrofizyki w Paryżu, elitarnym miejscem skupiającym między innymi koordynatorów satelity Planck, najnowszej generacji obserwatorium promieniowania mikrofalowego. Kluczowym partnerem jest tam dr Rafael Gavazzi, wiodący ekspert i badacz silnych soczewek grawitacyjnych.

 – Rozwijamy pewien pomysł po raz pierwszy zaimplementowany na danych obserwacyjnych przez nasz zespół w ramach grantu realizowanego w zakładzie w latach 2008–2011. Jest to pomysł polegający na wykorzystaniu tzw. silnych soczewek grawitacyjnych w roli nowego testu kosmologicznego  – mówi prof. dr hab. Marek Biesiada. 

Soczewkowanie grawitacyjne stanowi wyraz jednego z podstawowych przewidywań ogólnej teorii względności, jakim jest zakrzywienie toru światła przez ciała masywne. Wynika ono z koncepcji Einsteina, według której masy zakrzywiają czasoprzestrzeń w swoim otoczeniu i wszelkie ciała, jak również promienie świetlne poruszające się już w zakrzywionej czasoprzestrzeni, nie biegną po prostych, tylko po tzw. krzywych geodezyjnych. Wykrycie tego zjawiska było pierwszym obserwacyjnym sukcesem ogólnej teorii względności. Einstein był sceptyczny co do możliwości zaobserwowania soczewkowania światła odległych obiektów przez gwiazdy działające jako soczewki. Poprawił go nasz wielki rodak Bohdan Paczyński, który sformułował ideę mikrosoczewkowania grawitacyjnego i teraz cała polska szkoła kontynuatorów myśli Paczyńskiego konsumuje ten wynik w postaci eksperymentu OGLE. Współczesny Einsteinowi Fritz Zwicky zauważył z kolei, że gdyby w roli soczewki wystąpiły nie gwiazdy, tylko galaktyki (w momencie tworzenia się ogólnej teorii względności natura galaktyk nie była jeszcze rozpoznana), to szansa obserwacji zjawiska byłaby odpowiednio większa, ponieważ galaktyk jest dużo i są znacznie masywniejsze. Znajdowałoby się ono bowiem w granicach zdolności rozdzielczej dużych teleskopów. I faktycznie przewidywania Zwicky’ego okazały się prorocze, to znaczy najpierw zaczęto odkrywać soczewki grawitacyjne, których elementem soczewkującym jest galaktyka.

Silne soczewkowanie polega na powstaniu obrazu silnie zniekształconego w formie łuku lub obrazu wielokrotnego. Można wówczas zaobserwować tzw. pierścień Einsteina – rodzaj soczewki grawitacyjnej, która powstaje w sytuacji, gdy obserwator znajduje się dokładnie na jednej linii prostej wraz ze źródłem pola grawitacyjnego i znajdującym się za nim źródłem światła. Innym efektem soczewkowania może być tzw. krzyż Einsteina, polegający na powstaniu wielokrotnych obrazów ciała niebieskiego znajdującego się za soczewką. 

Wiadomo z wcześniejszych odkryć soczewek i z badań teoretycznych, że największe szanse na bycie soczewką mają galaktyki eliptyczne. Są one bowiem masywniejsze od galaktyk spiralnych, a ponieważ zjawisko ugięcia promienia zależy od masy, jest ona głównym czynnikiem określającym rozmiar pierścienia Einsteina, a więc również i prawdopodobieństwo wystąpienia w roli soczewki. Prace zespołu przyniosły odkrycie około setki soczewek, nad którymi obecnie pracują badacze.

– Nasz pomysł – kontynuuje prof. Biesiada – wykorzystuje to, iż promień Einsteina, czyli separacja obrazów, zależy zarówno od masy soczewki, jak też od stosunku odległości w układzie optycznym. A są to odległości kosmologiczne między źródłem a soczewką oraz między nami i źródłem. Naszym celem jest, aby, mając wiedzę na temat masy soczewki, wykorzystać tę pozostałą informację na temat odległości i przerodzić ją w rodzaj testu modelu kosmologicznego, czyli czasoprzestrzeni tła, na którym akcja się rozgrywa.