Ο βαρυτικός φακός αποκαλύπτει την καρδιά ενός απόμακρου γαλαξία

Από ιστοσελίδα του RedNova, 13 Φεβρουαρίου 2004

Μας είναι γνωστά πολλά παραδείγματα όπου ένας μακρινός γαλαξίας ενεργεί ως βαρυτικός φακός, παράγοντας πολλαπλές εικόνες στον ουρανό ενός πιο απόμακρου αντικειμένου, όπως είναι ένας λαμπρός κβάζαρ, που κρύβεται πίσω από αυτόν. Όμως, υπάρχει ένα επίμονο μυστήριο για πάνω από 20 χρόνια: Η Γενική Θεωρία της σχετικότητας του Einstein προβλέπει ότι πρέπει να υπάρχει ένας περιττός αριθμός εικόνων, όμως σχεδόν όλοι οι φακοί που έχουν παρατηρηθεί έχουν μόνο 2 ή 4 γνωστές εικόνες.

Αλλά τώρα, ο αστρονόμος Joshua Winn του Κέντρου για την Αστροφυσική στο Χάρβαρντ (CfA) και δύο πρώην συνάδελφοι του στο CfA, ο David Rusin (τώρα στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας) και ο Christopher Kochanek (στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιου), έχει προσδιορίσει μια τρίτη, μια κεντρική εικόνα στις πολλαπλές εικόνες ενός κβάζαρ.

Οι ραδιοπαρατηρήσεις του αστρονομικού συστήματος PMN J1632-0033, στον αστερισμό Ophiuchus,  αποκάλυψαν μια εξασθενημένη κεντρική εικόνα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ερευνήσει τις ιδιότητες του γαλαξία που δρα σαν φακός και της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, που αναμένεται να βρεθεί στο κέντρο του.

"Η ανακάλυψη αυτής καθ' αυτής της κεντρικής εικόνας είναι ενδιαφέρουσα, αλλά είναι ακόμα σημαντικότερη για αυτό που μπορεί να μας πει για τον γαλαξία, που δρα σαν φακός. Μας προσφέρει ένα νέο εργαλείο για τους μακρινούς γαλαξίες που, ακόμη και με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, φαίνονται εξασθενημένες κηλίδες", λέει ο Winn.

Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2004 στο περιοδικό  Nature.

Το σύστημα του βαρυτικού φακού

Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά απόμακρα και φωτεινά αντικείμενα, που θεωρούνται ότι τροφοδοτούνται από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες οι οποίες φωλιάζουν στο κέντρο τους. Είναι τα πιο λαμπρά αντικείμενα του σύμπαντος και μετατρέπουν τη βαρυτική ενέργεια της ύλης, που πέφτει στη μαύρη τρύπα, σε ακτινοβολία ορατή αλλά και αόρατη, όπως είναι τα ραδιοκύματα.

Ένα από τα ωραιότερα παραδείγματα βαρυτικού εστιασμού. Τέσσερις εικόνες του ιδίου quasar εμφανίζονται γύρω από τη κεντρική λάμψη που σχηματίστηκε από τον γειτονικό γαλαξία. Ο Σταυρός του Einstein, όπως είναι γνωστός, είναι ορατός μόνο από το Νότιο ημισφαίριο.

Στους βαρυτικούς φακούς οι φωτεινές ακτίνες, που προέρχονται από ένα κβάζαρ, περνούν κοντά από έναν γαλαξία και κάμπτονται από το πεδίο βαρύτητας του γαλαξία, όπως θα κάμπτονταν κατά το πέρασμα τους μέσω ενός κανονικού φακού.

Όσο πυκνότερο είναι το κέντρο ενός γαλαξία, άρα όσο ισχυρότερη είναι η βαρύτητά του, τόσο πιο εξασθενημένη θα είναι η κεντρική εικόνα. Ακόμα αυτή η κεντρική εικόνα, της οποίας το φως έχει περάσει πολύ κοντά από το μέσον του γαλαξία-φακού, μπορεί να μας δώσει αρκετές πληροφορίες για τον πυρήνα αυτού του γαλαξία. Αυτή λοιπόν η πληροφορία κάνει την ανακάλυψη τέτοιων κεντρικών εικόνων ιδιαίτερα επιθυμητών.

Το σύστημα του κβάζαρ

Στο σύστημα PMN J1632-0033, ένας κβάζαρ με ερυθρή μετατόπιση (redshift) z=3.42 (που αντιστοιχεί σε μια απόσταση περίπου 11,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός), εστιάζεται από έναν ελλειπτικό γαλαξία-φακό με  ερυθρή μετατόπιση z~1 (περίπου 8 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας).

Οι δύο εικόνες του κβάζαρ ήταν γνωστές από παλιά, ενώ την τρίτη, μια πολύ εξασθενημένη ραδιοπηγή, οι ερευνητές την υποψιάστηκαν ότι πρέπει να ήταν η κεντρική εικόνα. Αλλά, αυτή η τρίτη εικόνα-ραδιοπηγή ήταν δεξιά πάνω από το γαλαξία-φακό, και έτσι θα μπορούσε να είναι εγγενής στο ίδιο το σύστημα του γαλαξία-φακού.

Παρατηρώντας όμως το φάσμα και των τριών εικόνων, με τη χρησιμοποίηση της Πολύ Μεγάλης Σειράς Τηλεσκοπίων (VLA) του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος, ο Winn και οι συνάδελφοι του πήραν εκείνα τα αναγκαία στοιχεία ότι η τρίτη πηγή είναι πράγματι η κεντρική εικόνα του κβάζαρ. Το φάσμα του είναι ουσιαστικά ίδιο με τις άλλες δύο εικόνες, εκτός από τις χαμηλές συχνότητες όπου μερικές από τη ραδιοσυχνότητες απορροφήθηκαν από το γαλαξία-φακό.

Η γεωμετρία και οι ιδιότητες των τριών εικόνων του κβάζαρ ήδη μας λένε πολλά για τον πυρήνα του γαλαξία-φακού. Παραδείγματος χάριν, η κεντρική μαύρη τρύπα του ζυγίζει λιγότερο από 200 εκατομμύρια ηλιακές μάζες.

Επίσης, η επιφανειακή του πυκνότητα (το ποσό της ύλης όπως προβάλλεται στο επίπεδο του ουρανού) στη θέση της κεντρικής εικόνας είναι περισσότερο από 20.000 ηλιακές μάζες ανά τετραγωνικό parsec. (Για σύγκριση, η επιφανειακή πυκνότητα του Γαλαξία μας κοντά στον ήλιό μας είναι περίπου 50 ηλιακές μάζες ανά τετραγωνικό parsec.) Και οι δύο αριθμοί για το γαλαξία-φακό συμφωνούν με τα παρατηρησιακά στοιχεία που έχουμε  για τους γαλαξίες, εκατοντάδες φορές πιο κοντά στη Γη.

"Σχεδόν όλη η γνώση μας για τα κέντρα των γαλαξιών προέρχεται από τη μελέτη των πολύ κοντινών γαλαξιών. Το πιο αξιοπρόσεκτο πράγμα για τις κεντρικές εικόνες είναι ότι μπορείτε να πάρετε παρόμοιες πληροφορίες για τους πυρήνες γαλαξιών εκατοντάδων φορές πιο μακριά, και δισεκατομμύρια έτη νεώτερων από τους γειτονικούς γαλαξίες μας", συμπληρώνει ο Winn.

Κατωτέρω:   Σε αυτό το παράδειγμα ενός βαρυτικού φακού, το φως από έναν απόμακρο γαλαξία σχηματίζει έναν φωτοστέφανο γύρω από το ογκώδες αντικείμενο που παίζει το ρόλο του βαρυτικού φακού.