gravitaatiolinssi

Niin sanotuissa "markettikaukoputkissa" lupaillaan jopa 1000-kertaisia suurennuksia, mutta käytännössä moisista lukemista ei ole mitään iloa. Näkökenttä menee tuhruksi jo paljon pienemmilläkin kertoimilla.

Suurennus ei edes ole kaukoputken keskeisin ominaisuus, vaan kyky kerätä mahdollisimman paljon valoa. Esimerkiksi Euroopan eteläinen observatorio ei parhaillaan rakenna Andeille Extremely Large Telescope -jättiläiskaukoputkea, jotta tähtitieteilijät saisivat käyttöönsä entistä isompia suurennuksia.

Syynä on se, että 39-metrinen mosaiikkipeili kerää valoa yli 250 kertaa enemmän kuin esimerkiksi Hubble-avaruusteleskoopin 2,4-metrinen pääpeili.

Höveliäisyydessään luonto on järjestänyt tutkijoille myös ”luomuteleskooppeja”, joilla pystytään tekemään havaintoja maailmankaikkeuden kaukaisimmista kohteista.

Suurten galaksijoukkojen vetovoima taivuttaa kauempana olevien kohteiden valoa, ja sopivissa olosuhteissa etäiset galaksit ja kvasaarit näkyvät monin verroin todellista suurempina ja kirkkaampina.

Albert Einsteinin ennustama ilmiö onnistuttiin näkemään ensimmäisen kerran 99 vuotta sitten, kun täydellisen auringonpimennyksen aikana otetuissa kuvissa Auringon lähellä erottuvat tähdet näyttivät hieman siirtyneen.

Jokseenkin yhtä kaukaa, yli 13 miljardin valovuoden etäisyydeltä, tunnetaan muitakin kehittymässä olevia galakseja, mutta pienen kokonsa ja suuren etäisyytensä takia ne erottuvat vain himmeinä punaisina valopisteinä.

"Toistaiseksi emme tunne ainuttakaan toista näin kaukaista galaksia, jonka ulottuvuuksista olisi saatu tietoa", toteaa Brett Salmon STScI-tutkimuslaitoksesta (Space Telescope Science Institute). "Tarkastelemalla gravitaatiolinssin vaikutuksia galaksista muodostuvaan kuvaan pystyimme määrittämään sen koon ja muodon."

Albert Einsteinin ennustaman gravitaatiolinssi-ilmiön ansiosta hyvin kaukaisia kohteita pystytään tarkastelemaan yllättävällä tarkkuudella. Kun etäisen kohteen valo kulkee lähempänä olevan galaksin läheltä, vetovoima taivuttaa valonsäteitä ja "zoomaa" kaukoputkessa näkyvän kuvan suuremmaksi ja kirkkaammaksi. 

Hubble-avaruusteleskoopilla on saatu kuvattua supernova. Siinä ei ole vielä mitään ihmeellistä, mutta poikkeuksellista on, että supernovaräjähdys pystyttiin ennustamaan etukäteen. Tai oikeastaan se nähtiin pikauusintana.

Supernovien havaitseminen heti tuoreeltaan räjähdyshetkellä tai pian sen jälkeen on harvinaista, mutta ensimmäisen kerran ilmiötä osattiin odottaa.

Kaukaisessa galaksijoukossa havaitulle supernovalle on annettu lempinimeksi Refsdal norjalaisen tähtitieteilijän Sjur Refsdalin mukaan. Hän ehdotti jo vuonna 1964, että gravitaatiolinssien muodostamia supernovien kuvajaisia voitaisiin käyttää maailmankaikkeuden laajenemisen tutkimiseen.

Marraskuussa 2014 tutkijat bongasivat MACS J1149.5+2223-galaksiryhmän yhden jäsenen ympärillä useita supernovan kuvajaisia. Galaksi muodosti gravitaatiolinssin, joka muutti supernovasta tulevien valonsäteiden kulkusuuntaa ja hajotti sen kuvan neljäksi. 

Galaksijoukko on noin viiden miljardin vuoden etäisyydellä, mutta supernova on paljon kauempana. Siitä tuleva valo on ollut matkalla lähes kymmenen miljardia vuotta.

"Supernovaa tutkiessamme huomasimme, että galaksi, jossa se on räjähtänyt, tunnettiin jo joukon vääristämänä kuvajaisena", kertoo Steve Rodney Etelä-Carolinan yliopistosta. "Supernovan 'emogalaksi' näkyy ainakin kolmena eri kuvana, jotka galaksijoukon massa on saanut aikaan."

Galaksin kuvajaiset tarjosivat harvinaisen mahdollisuuden ennustaa tulevaisuutta – tai pikemminkin menneisyyttä. Koska galaksijoukon massa on jakautunut epätasaisesti, eri kuvajaisten valo kulkee eripituisen matkan, joten galaksi näkyy niissä eri aikoina. 

"Käytimme seitsemää erilaista galaksijoukon mallia, joiden perusteella laskimme milloin ja missä supernova näkyy seuraavan kerran. Suurin ponnistuksin tiedeyhteisö keräsi tarvittavat tiedot Hubble-, VLT-MUSE- ja Keck-teleskoopeilla, ja muotoili linssiä koskevat mallit", toteaa Tommaso Treu UCLA:sta (University of California at Los Angeles). 

"Hämmästyttävällä tavalla kaikki seitsemän mallia antoivat ennusteeksi suunnilleen saman ajankohdan, jolloin uusi kuvajainen räjähtävästä tähdestä ilmestyisi näkyviin."

Hubble-avaruusteleskoopilla tarkkailtiin MACS J1149.5+2223-galaksijoukkoa lokakuun lopulta lähtien ja 11. joulukuuta supernova ilmaantui ennusteen mukaisesti kuviin. 

Otsikkokuvan vasempaan ruutuun on merkitty punaisella ympyrällä galaksi, jonka reunamilla näkyy neljä supernovan kuvajaista. Turkoosin ympyrän kohdalla on supernovan ennustettu paikka.

Oikealla ylhäällä on Hubblen seurantaohjelman ensimmäinen kuva lokakuun lopulta ja oikealla alhaalla kuva, jossa Refsdalin supernova on ilmestynyt näkyviin – täsmälleen ennustetussa paikassa.

Supernovasta tehdyt havainnot antavat tutkijoille mahdollisuuden testata malleja siitä, miten massa ja erityisesti pimeä aine jakautuu tässä nimenomaisessa galaksijoukossa. Samalla saatiin vahvistus siitä, että gravitaatiolinssit ovat tehokas menetelmä tutkia hyvin kaukaisia maailmankaikkeuden kohteita ja ilmiöitä.

Refsdalista kerrottiin Hubblen uutissivuilla. 

Kuva: NASA/ESA/P. Kelly (University of California, Berkeley)

Sata vuotta sitten Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, joka on kiistatta yksi 1900-luvun merkittävimmistä tieteellisistä saavutuksista.

Yksi teorian lukuisista ennusteista oli, että massiivinen kappale vääristää aika-avaruutta ja saa läheltä kulkevan valonsäteen muuttamaan hieman suuntaansa. 

Toukokuussa 1919 sattuneen täydellisen auringonpimennyksen aikana otettuja kuvia verrattiin samasta kohdasta otettuihin tähtikuviin ja kas: tähtien paikat näyttivät tosiaan siirtyneen Einsteinin ennustamalla tavalla.

Ilmiö on sitä voimakkaampi, mitä suurempi massa on kyseessä. Galaksit ja kokonaiset galaksijoukot saavat niiden lähettyviltä kulkevat valonsäteet taipumaan niin, että kauempana olevat kohteet vääristyvät kummallisiksi kuvajaisiksi.

Yksi hassuimmista on SDSS J103842.59+484917.7 noin 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä Ison karhun tähdistössä. Kun yhdistetään Hubble-avaruusteleskoopilla tehdyt näkyvän valon ja Chandra-avaruusteleskoopin röntgenalueen havainnot, saadaan näkyviin ilmiselvä Irvikissa, Liisan seikkailut ihmemaassa -klassikon ajoittain katoavainen kissa, josta toisinaan näkyy vain leveä hymy.

Kirja ilmestymisestä on kulunut nyt 150 vuotta, joten se kytkeytyy kosmisen kissahahmon kautta osuvasti Einsteinin juhlavuoteen. Liisan seikkailuista kirjoitti Lewis Carroll, joka oli oikealta nimeltään Charles Dodgson ja sattumoisin matemaatikko.

Galaksijoukon kaksi jättiläisgalaksia muodostavat kissan silmät ja kolmas galaksi kirsun. Galaksien ympärillä oleva tavallinen ja pimeä aine saavat aikaan gravitaatiolinssin, joka vääristää neljä etäämpänä olevaa galaksia sopivasti sijoittuneiksi kaariksi. 

Massiivisen kohteen vetovoima muuttaa valonsäteiden kulkusuuntaa. Jos kolme taivaankappaletta sattuu täsmälleen samalle linjalle, väliin jäävä kappale saa aikaan niin sanotun Einsteinin renkaan: taaempana olevasta kohteesta tuleva säteily "kiertää" etualan kohteen joka puolelta siten, että sen ympärille näyttää muodostuvan rengas. Nimi tulee siitä, että valon taipumisen vetovoimakentässä ennusti Albert Einstein suhteellisuusteoriassaan.

Vesikäärmeen tähdistön suunnassa näkyvä SDP.81 on juuri tällainen gravitaatiolinssi. Etäisempi galaksi on 12 miljardin valovuoden etäisyydellä ja ”linssinä” toimivaan galaksiin on matkaa noin neljä miljardia valovuotta. Kauempana olevassa galaksissa on runsaasti pölyä, jota vastasyntyneet tähdet kuumentavat, joten se säteilee voimakkaasti ALMA-radioteleskoopilla tehdyissä alimillimetrialueen havainnoissa (kuvassa oranssina näkyvä rinkula).