Gravitasjonslinsing – kunsten å bøye lys

Gravitasjon er en tiltrekningskraft som virker mellom absolutt alle partikler med masse. Den holder menneskene trygt nede på bakken og planetene i bane rundt Sola. At gravitasjonen avbøyer lys og alle andre typer elektromagnetisk stråling er derimot mindre kjent blant folk flest. Astronomer har gjort dette spesielle fenomenet til et unikt verktøy for å studere mørke og usynlige ting i universet.

At gravitasjonen, eller tyngdekraften om du vil, kan bøye og endre lysets bane var en effekt man hadde forventet siden begynnelsen av 1800-tallet. Albert Einstein (1879–1955) ble den første til å beregne dens nøyaktige størrelse og hvordan den avhang av den tilstedeværende masse.

Gravitasjonell lysavbøyning er en konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915/16, skjønt den gang trodde ingen at man noensinne ville bli i stand til å observere den i praksis. Likevel påpekte den fargerike astronomen Fritz Zwicky allerede i 1930-årene at store galaksehoper faktisk kunne oppfylle de fysiske og geometriske forutsetninger for å opptre som såkalte gravitasjonslinser. De massive galaksehopene ville avbøye, fokusere og forsterke lyset fra fjerne, bakenforliggende kilder. Uten å gå inn i detaljer kan vi si at lyset ifølge Einsteins teori følger krumme baner i et tidrom som er forvrengt av store massekonsentrasjoner.

Gravitasjonskraften fra galaksehopen Abell 1689 krummer tidrommet og sørger for at lyset fra galakser enda lenger unna blir avbøyd. Bakgrunnsgalaksene blir forvrengte og strukket ut til tynne buer. Foto: NASA/ESA og Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Svak linsing

Bildet over viser fenomenet i aksjon. Her har Romteleskopet Hubble observert galaksehopen Abell 1689, 2,2 milliarder lysår unna Jorda. Det er tydelig at den har avbøyd og forvrengt lyset fra flere små og fjernere galakser – mange av disse har en blålig farge sammenlignet med de gule galaksene i selve hopen. Den gravitasjonelle linseeffekten har gjort bakgrunnsgalaksene avlange og strukket dem ut til tynne, små sirkelbuer med samme sentrum som Abell 1689. Virkningen tilsvarer på mange måter å observere omverdenen gjennom foten på et vinglass. Fenomenet forsterker også lyset slik at ekstremt fjerne kilder kommer til syne.

Til venstre: QSO 0957+561, også kalt Dobbeltkvasaren (foto: ESA/Hubble og NASA). Til høyre: Skisse som viser hvordan en massiv galakse og galaksehop kan skape to avbildninger av en og samme bakgrunnskilde (figur: NASA, ESA og L. Calcada).

Sterk linsing

Situasjonen i forrige avsnitt er et eksempel på det astronomene kaller svak gravitasjonslinsing. Sterk linsing er derimot fenomenet der lyset fra én enkelt fjern kilde blir splittet opp i flere bilder. Den første gravitasjonslinsen ble oppdaget i 1979 da det ble observert to helt identiske kvasarer, dvs. ekstremt energetiske galaksekjerner, like ved hverandre i stjernebildet Store bjørn. Lyset fra kvasaren QSO 0957+561, som befinner seg rundt ni milliarder lysår unna Jorda, hadde blitt avbøyd og funnet to forskjellige veier fram til Jorda som følge av gravitasjonslinseeffekten fra en mellomliggende kjempegalakse og tilhørende galaksehop.

De blåhvite lysprikkene merket A og B på bildet over til venstre viser de to avbildningene av QSO 0957+561. Den gulaktige lysfordelingen (G) like ved den nederste kvasarkomponenten er galaksen som står for det meste av gravitasjonslinsingen. Illustrasjonen til høyre skisserer hvordan den enorme massen til denne galaksen og den tilhørende galaksehopen avbøyer lyset, slik at det for et teleskop på Jorda ser ut til å komme fra to forskjellige steder/objekter på himmelen.

Til venstre: Den femdobbelte kvasaren SDSS J1004+4112 (foto: ESA/NASA, K. Sharon og E. Ofek). Til høyre: En ekstremt fjern galakse er forvrengt til en nesten komplett ring (Einstein-ring) av den sterke gravitasjonen fra en mellomliggende elliptisk kjempegalakse (foto: ESA/NASA).

Et annet og nyere eksempel på sterk linsing er den femdobbelte kvasaren SDSS J1004+4112: Lyset fra en enkelt kvasar ca. ti milliarder lysår unna har blitt avbildet som fem komponenter etter å ha passert gjennom det sterke gravitasjonsfeltet til en kosmisk galaksehoplinse. Fire av avbildningene er lett synlige, mens den femte er meget svak og ligger nær den lyssterke, gule galaksen midt i galaksehopen.

Hvis geometrien er slik at lyskilde, linse og observatør ligger perfekt på linje, vil man kunne se en sirkelsymmetrisk avbøyning – en såkalt Einstein-ring.

Kraftig kosmisk verktøy

Sjur Refsdal. Foto: dnva.no

Å observere gravitasjonslinsing er ikke et mål i seg selv, men derimot et viktig redskap for å studere flere typer objekter og fenomener i astrofysikken. Ut fra de forvrengte bakgrunnsgalaksene på bilder som det av Abell 1689, kan astronomer finne ut f.eks. hvor mye masse det er i galaksehopene og hvordan denne massen er fordelt. Slike studier har avslørt at hopene inneholder mye mer stoff enn det de lysende galaksene tilsier. Denne mørke materien utgjør faktisk rundt 85 prosent av universets totale masse. Ingen vet enda hva denne mystiske, usynlige materien er for noe, men den kan studeres ved hjelp av gravitasjonslinseeffekten.

I tilfeller med sterk linsing av fjerne kvasarer kan man måle tidsforskjellen mellom de ulike veiene lyset går. Hvis kildens lysstyrke varierer, vil dette dukke opp ved forskjellige tidspunkter i avbildningene. Den anerkjente norske astronomen Sjur Refsdal (1935–2009) var en pioner innen gravitasjonslinseforskning på 1960- og 1970-tallet, og utviklet bl.a. en unik metode for å estimere universets alder basert på nettopp denne tidsforsinkelsen.

Gravitasjonslinsing gjør astronomer i stand til å hente ut informasjon om bestanddelene og massefordelingen i den galaksen som opptrer som linse, noe som ofte ikke er mulig med andre metoder.

Mikrolinsing

Man kan også registrere gravitasjonslinsing på mye mindre skala – såkalt mikrolinsing. Daglig overvåkes millioner av stjerner i påvente av en sjelden, midlertidig endring i lysstyrken. En stjerne med en planet rundt seg vil nemlig – dersom den passerer foran en annen stjerne og dermed opptrer som en gravitasjonslinse – gi en karakteristisk signatur i lysstyrkevariasjonene. Ved å studere lysvariasjonen ved slike sjeldne mikrolinse-hendelser kan man oppdage planeter rundt stjerner flere tusen lysår unna Jorda og bestemme deres masse og avstand fra moderstjernen.

Hvis stjernen som fungerer som linse, har en planet rundt seg, kan planeten gi et ekstra, kortvarig bidrag til den gravitasjonelle lysforsterkingen av den bakenforliggende stjernen. Figur: nexsci.caltech.edu

Det finnes flere andre områder der gravitasjonslinsing kan utnyttes, som f.eks. i undersøkelser av svarte hull og de ovennevnte kvasarer. Det som startet som en eksotisk teoretisk mulighet for et hundreår siden, har i dag utviklet seg til et svært viktig astronomisk forskningsfelt.

Undertegnede har selv studert gravitasjonslinser, hovedsakelig objektet QSO 0957+561 (jf. 1, 2) som ble beskrevet over. For tiden er forsker Håkon Dahle ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved UiO den i Norge som jobber mest med fenomenet. En rekke andre norske astronomer utnytter gravitasjonslinsing i sine studier av f.eks. ekstremt fjerne galakser og den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Artikkelen er basert på en tekst fra 2008-utgaven av Himmelkalenderen.