Ако сте виждали първите изображения от космическия телескоп Джеймс Уеб (JWST) тази седмица, но едва ли има някой, който да не е, може би сте чували да се използва термина „гравитационни лещи“. Но какво точно означава? И как може да помогне на новия телескоп?

Първото изображение от "Джеймс Уеб" показа блестящ звезден пейзаж на галактическия куп SMACS 0723. Има много неща, които се случват в изображението, но ако сте се взирали достатъчно дълго и може да сте забелязали, че някои от галактиките изглеждат размазани като светлината им е разтеглена навън. Това обаче не е артефакт на оптиката на телескопа – това е изкривяване на самата реалност в областта на сниманото пространство.

Гравитацията е неразривно свързана с масата, така че колкото по-голяма маса има даден обект, толкова по-силно е неговото гравитационно влияние. Тази сила е това, което ни прилепва към Земята и което кара планетата да обикаля около Слънцето. Но начинът, по който работи, е по-странен, отколкото много хора биха могли да осъзнаят - гравитацията деформира самата тъкан на пространство-времето. (вж "Обща теория на относителността")

„Да кажем, че има няколко масивни галактики близо една до друга, т.е. галактически куп“, обяснява пред New Atlas д-р Темия Нанаякара (Themiya Nanayakkara), главен учен от австралийския център за данни на "Джеймс Уеб". „Ще се случи това, че общата маса става много голяма и ще създаде извивка в пространството около себе си – подобен ефект може да се наблюдава върху легло, когато поставите тежка топка върху него. Така че, когато светлината от фоновата галактика премине през тази област, пътят, който трябва да измине, се изкривява. Това води до удължени изображения на фоновите галактики."

Това явление е известно като гравитационна леща и неговите ефекти са ясно видими в новите изображения от "Джеймс Уеб".

_{Първото изображение от Джеймс Уеб, показващо галактическия куп SMACS 0723 и феномена на гравитационните лещи. Кредит: NASA/ESA/CSA}

„Цялата материя създава тези изкривявания в пространството, включително теб и мен, но ефектите от гравитационните лещи се забелязват само когато присъства наистина астрономическо количество материя, което действа като леща, като например клъстерът от галактики, наблюдаван в новите изображения от JWST“, пояснява Робин Кук (Robin Cook), астроном от Международния център за радиоастрономически изследвания ICRAR. „В тези изображения виждаме светлината от много далечни галактики, чиято светлина се изкривява около клъстера на преден план, създавайки впечатляващи и умопомрачителни дъги. Тъй като галактическите купове не са перфектни сфери, това явление често може да създаде странни характеристики като огледални изображения на същата галактика."

Както подсказва името, гравитационните лещи могат да увеличат много отдалечени обекти, включително такива, които са твърде далеч, за да се видят по друг начин. Това дава на астрономите невероятен поглед в най-отдалечените краища на пространството и времето.

_{Схема за това как гравитационните лещи огъват светлината (белите линии) от отдалечени обекти. Кредит: L. Hustak (STScI)}

„Ключовата характеристика тук е, че гравитационните лещи не само изкривяват светлината, но също така я увеличават като телескоп“, отбелязва професор Рей Норис (Ray Norris) от CSIRO Space & Astronomy. „Така че, ако гледате далечната вселена с JWST през гравитационна леща, все едно монтирате допълнителна леща към JWST, която ви позволява да видите по-далечни галактики, отколкото бихте виждали без гравитационната леща.“

А космическият телескоп Джеймс Уеб е особено подходящ да се възползва от това явление.

„Факторите, които правят JWST особено умел да използва този феномен, са същите, които го правят добър в толкова много неща: голямо огледало, работещо на инфрачервени дължини на вълните“, обяснява професор Матю Колес (Matthew Colless), директор на Изследователското училище по астрономия и астрофизика в Австралийския Национален университет. „Голямото огледало помага по два начина, тъй като не само събира повече светлина (така че могат да се видят по-бледи обекти), но също така създава по-контрастни изображения (така че могат да се видят по-малки детайли). Работата с инфрачервени дължини на вълните също е полезна, тъй като заради ефекта на червеното отместване светлината на много отдалечени обекти във Вселената се измества по протежение на спектъра от видимото към инфрачервеното, а целите, които астрономите гледат с помощта на гравитационни лещи, са бледи и малки.

_{Гравитацията на гигантски куп галактики е огънала и увеличила светлината на далечната спирална галактика Sp1149, правейки нейните спирални ръкави видими и достъпни за изследване от астрономите. Обикновено гравитационните лещи изкривяват структурите на далечни галактики до неузнаваемост. Вложката с надпис 'галактика' показва как би изглеждал Sp1149 без лещи. Кредит: Karen Teramura, University of Hawai'i Institute for Astronomy}

Има много неща, които можем да научим от безпрецедентната мощност на "Джеймс Уеб", комбинирана с гравитационни лещи, която може да позволи на астрономите да изучават Вселената, каквато е била в много ранните ѝ години след Големия взрив.

„JWST вече изобразява някои от първите поколения галактики, които са се образували във Вселената“, коментира професор Катрин Трот (Cathryn Trott). „Той също така има способността да улавя техните спектри, при което галактическата светлина се разделя на съставните дължини на вълните, което позволява на астрономите да идентифицират отделните елементи. Галактическите спектри, преминали през гравитационните лещи в полето SMACS 0723, вече ни показват, че галактиките, които са се образували през първите няколкостотин милиона години на Вселената, имат кислород, елемент, който се произвежда само в звездите. Тези наблюдения, комбинирани с наблюдението на първичния водороден газ с помощта на нискочестотни радиотелескопи, като Murchison Widefield Array, ни казват кога са се образували първите поколения звезди във Вселената."

„Можем също така да получим прецизно ново измерване на скоростта на разширяване и възрастта на Вселената чрез измерване на разликите във времето за пътуване на светлината около гравитационните лещи за преходни събития като експлодиращи звезди или трептящи квазари“, добавя Колес. „Така че очакваме комбинацията от JWST и гравитационни лещи да бъде изключително мощен начин за изследване на далечната вселена.“

Зашеметяващите първи изображения са само част на това, което предстои и нямаме търпение да видим какви открития ще направи космическият телескоп "Джеймс Уеб" през следващите години.

Източник: What is gravitational lensing and how can the James Webb Telescope use it?
Michael Irving, New Atlas

Още по темата

12/07/2022

Космос

Първата снимка, направена от "Джеймс Уеб". Космическият телескоп започва научната си работа (видео)

11/05/2022

Космос

Двойка сливащи се свръхмасивни черни дупки през взаимна гравитационна леща (видео)

01/09/2021

Космос

Хъбъл вижда квазар "размножен" 5 пъти от гравитационна леща

24/04/2017

Космос

4 момента от живота на една свръхнова през гравитационна леща (видео)