Sada aastat tagasi tutvustas Albert Einstein radikaalselt uut mõtlemisviisi raskusjõu kohta. Tema üldine relatiivsusteooria väitis, et ruum pole tühi areen, kus universumi sündmused välja mängivad, vaid nende sündmuste aktiivne osaline.
Üldrelatiivsusteooria kohaselt moonutab kõik, millel on mass - täht, planeet, saarmas - ümbritsevat ruumi, põhjustades selle kõveruse. Matter kõverdab ruumi ja see kumerus ütleb muul moel, kuidas liikuda. Meil, inimestel, ei ole piisavalt ruumi ette kujutada kõverdatud kolmemõõtmelist ruumi, nii et siin on kahemõõtmeline analoogia: kui batuudile asetatakse raske pall, paindub batuudi pind. Kui te siis veeretate marmoreid üle batuudi pinna, siis on nende teed kõverad. See on ebatäiuslik analoogia, kuid edastab üldise idee. Selle põhimõtte kohaselt järgib Maa kõverat rada ümber Päikese ja Kuu kõverdatud rada ümber Maa.
Üldrelatiivsuse põhijooneks on see, et ruumi kumerus mõjutab nii valguse kui ka mateeria teekonda. Seda efekti nimetatakse gravitatsiooniläätsedeks. See osutub erinevaks valguse käitumisest Newtoni gravitatsiooni tingimustes, nii et gravitatsiooniläätse kohene kasutamine on test, kas üldine relatiivsus on reaalne. See osutub äärmiselt kasulikuks ka universumi kõige kaugemate nurkade uurimisel, kuna see suurendab kaugete galaktikate pilte.
Kuidas gravitatsiooniline lääts töötab? Kui mingist kaugest tähest meie poole liikuv valgus möödub teisest massiivsest objektist - näiteks teisest tähest või galaktikast -, siis see valgus kaldub ja selle teed muudetakse. Kui see valgus jõuab Maale, näib see tulevat teistsugusest suunast kui tema algselt teelt. Näeme, et täht asub taevas erinevas asendis kui see, kus ta tegelikult asub. See tausttähe näiline liikumine on täpselt kahekordne, kui te Newtoni gravitatsioonis näeksite; seega pakub see lihtsat viisi Einsteini teooria kontrollimiseks.
Tähe kujutise liikumise mõõtmiseks peate seda siiski suutma jälgida nii enne kui ka pärast seda, kui segav mass selle valgust kõrvale kaldub. Meil pole tavaliselt võimalust jõuda Maast piisavalt kaugele, et näha kaugeid tähti kahe erineva nurga alt, kuid võime ära kasutada seda, et liigume ümber päikese.
Kui jälgime taevast vastupidises osas tähte päikese käes, näeme selle "tõelist" positsiooni. Kuus kuud hiljem on täht päikesega samas taevaosas ja saame siis mõõta, kui palju tähe valgus päikese massist kõrvale kaldub. Tähti ei saa me tavaliselt päikese lähedal jälgida, sest päeval on päike üleval. Kuid teatud tingimustel saame. Päike on ühel korral, kuid päikesevalgus on blokeeritud: täielik päikesevarjutus.
Mais 1919 said astronoomid pilgu päikesevarjutusele, mis oli nähtav nii Aafrika kui ka Lõuna-Ameerika osadest. Varjupaiga eduka vaatlemise võimaluste maksimeerimiseks saadeti selle jälgimiseks kaks meeskonda: üks Brasiiliasse ja teine Sir Arthur Eddingtoni juhtimisel Principe'i saarele Lääne-Aafrika rannikule. Vaatamata osalisele pilvekattele oli Eddingtoni meeskond edukas. Hyadesi klastris tähtede järgi mõõdetud valguse läbipaine vastas Einsteini teooriale suurepäraselt.
Päikese täieliku varjutuse ajal 29. mail 1919 kinnitas Sir Arthur Eddington (paremal) Einsteini üldist relatiivsusteooriat, arvutades päikese kõrval asuva tähevalguse läbipainde. (AKG) See avastus oli tähelepanuväärne. "TULENEB KÕIK KÜSIMUSED KÕRGES. EINSTEINI TEORIA TRIUMPHS, " kuulutas New York Times. (See lisas: „Teadusmehed on enam-vähem nõus pimeduse vaatluste tulemustega.“) Kinnitus andis sõjast lagunenud maailmas ühtsuse hetke; nagu märkis füüsik JP McEvoy oma 1999. aasta raamatus Eclipse, "universumi uut teooriat, Berliinis töötava Saksa juudi ajulapset kinnitas inglise kveeker väikesel Aafrika saarel."
Alles 1936. aastal mõistis Šveitsi astronoom nimega Fritz Zwicky gravitatsiooniläätse potentsiaali vahendina universumi uurimiseks väljaspool meie tähelinna. Galaktikate klastrite masside arvutamisel - mida sel ajal tunti kui ekstragalaktilisi udusid - märkis Zwicky, et nende taga asuvate kaugemate galaktikate korral on hea võimalus, et nende klastrite möödudes võib nende valgus kõrvale kalduda. 1937. aastal kirjutas ta, et see efekt "võimaldab meil näha udusid suurematest vahemaadest kui need, milleni tavaliselt jõuavad isegi kõige suuremad teleskoobid."
Selle kontseptsiooni võti on gravitatsioonilise läätse omadus, mis muudab selle uskumatult kasulikuks: Valgus, mis vastasel juhul oleks suunatud meist eemale, on pööratud meie suunas, see tähendab, et läätsede allikatest näeme rohkem valgust kui tavaliselt. Teisisõnu, kaugeid galaktikaid, mis asuvad massiivsete objektide taga, suurendatakse. Ja kuna galaktikate klastrid on universumi kõige massiivsemad struktuurid, on need parimad suurendusklaasid, mida loodus pakub.
Ligi 50 aasta jooksul pälvis Zwicky ettepanek vähe tähelepanu. Võimalikud läätsega galaktikad olid lõppude lõpuks liiga nõrgad, et neid näha. See muutus 1980ndatel, kui esimeste digitaalsete pildiseadmete väljatöötamine asendas fotoplaate ja suurendas dramaatiliselt teleskoopide tundlikkust nõrkade allikate suhtes.
1986. aastal avastati galaktikaparves Abell 370 dramaatiline laiendatud kaar. Selle pildi pikk punane kaar osutus kaks korda kaugemaks kui klaster ise: see on taustagalaktika - spiraal, mis sarnaneb Linnuteega - mille valgust on klastri mass moonutanud, venitades selle selle tohutu kaare sisse. Kümmekond aastat hiljem purustas üks teine läätsega galaktika teadaoleva kõige kaugema objekti rekordi - esimest korda pärast 1960. aastaid oli seda rekordit käes tavaline galaktika - mitte kvaasar, universumi kõige heledamad objektid.
See Hubble'i kosmoseteleskoobi pika säriajaga pilt massiivsest galaktik klastrist Abell 2744 (esiplaan) on kõigi aegade sügavaim galaktikate klastrist tehtud pilt. (NASA / ESA) Hubble'i kosmoseteleskoobi (HST) käivitamine pakkus 2009. aastal kõige tundlikumaid pilte, mis kaugest universumist on kunagi saadud, ja selle viimane teenindusülesanne lisas uue ülitundliku lähi-infrapunakaamera. Praegu Hubble'iga käimas on uus programm, mis tõotab meie pilgu piire universumisse veelgi kaugemale tõmmata: Hubble'i piiriväljade programm.
Selle programmi mõte on teha uskumatult sügavaid vaatlusi, mis paljastavad kõige kaugemad ja kõige kaugemad galaktikad, kuid on strateegiliselt suunatud galaktikate klastritele, et saada kasu gravitatsioonilise läätse suurendusmõjust. Programm hõlmab kokku kuut tohutut galaktikoklastrit, millest viis on praeguseks valminud. Projekti Frontier Fields juhtivteadlane Jen Lotz kirjeldas seda kui "sügavaimat vaadet universumist, mis eales tehtud".
"Frontier Fields on eksperiment, " ütleb Matt Mountain, astronoomiauuringute ülikoolide liidu (AURA) president ja Hubblet opereeriva kosmoseteleskoobi teadusinstituudi endine direktor. Katse põhiküsimus: "Kas me saame esimeste galaktikate otsimisel kasutada Hubble'i väljapaistvat pildikvaliteeti ja Einsteini üldise relatiivsusteooria teooriat?"
Esimeste piirialade esialgne analüüs on juba hakanud andma hulgaliselt teavet varajase universumi kohta. Kaugelt esimesest klastrist, Abell 2744, oleme leidnud varajases universumis asuva galaktikate rühma suurendusega pilte - vaid mõnesaja miljoni aasta möödumisel Suurest Paugust -, mis võivad olla oma klastri moodustamise protsessis.
Piirialade piltide hoolikas uurimine näitab galaktikaid, mida on gravitatsioonilise läätse abil suurendatud vähemalt 50 korda. Need on ühed vaiksemad galaktikad, mida varases universumis nähtud on. Neist väikseim saab millekski nagu Fornaxi kääbus, pisike galaktika, mis tiirleb ümber Linnutee ja on umbes tuhandik massist. Ehkki see on galaktikastandardite järgi pisike, õpime Frontier Fieldsi käest, et varases universumis oli tohutul hulgal väikseid galaktikaid. Tegelikult on neid nii palju, et nad võisid universumi esimese miljardi aasta jooksul vastutada suurema osa energia eest.
Hubble'i kosmoseteleskoobi võimalused seavad selle piiri, kui kaugele minevikku võime jõuda. Esimeste galaktikate valgus on niivõrd kosmose laienedes infrapunakiirgusse nihkunud, et Hubble neid ei näe. See kõik muutub 2018. aastal, kui Hubble'i järeltulija James Webbi kosmoseteleskoop käivitub 2018. Suurema peegli ja tundlikumate kaamerate abil, mis näevad infrapunakiirgust kaugemale, võimaldab Webb meil veelgi kaugemale minevikku suhelda ja vaadata isegi õhemaid galaktikaid. Osutades Webbile galaktikaparvede poole ja kasutades oma eeliseks gravitatsioonilist läätse, saame neid piire veelgi edasi lükata.
Vaid mõne aasta pärast võime vaadata kõige esimesi galaktikaid, mis kunagi on tekkinud.
