Pred stotimi leti je Albert Einstein uvedel radikalen nov način razmišljanja o sili gravitacije. Njegova splošna teorija relativnosti je trdila, da vesolje ni prazna arena, v kateri se igrajo dogodki vesolja -, ampak aktivni udeleženec teh dogodkov.
Po splošni relativnosti lahko vse, kar ima maso - zvezda, planet, vidra - izkrivlja prostor okoli nje, zaradi česar se ukrivi. Zadeva krivulje prostora in ta ukrivljenost pove, kako se premikati. Ljudje smo slabo pripravljeni predstavljati ukrivljen tridimenzionalni prostor, zato je tu dvodimenzionalna analogija: če na trampolin postavimo težko kroglico, se bo površina trampolina upognila. Če nato vrtete marmorje po površini trampolina, bodo njihove poti ukrivljene. To je nepopolna analogija, vendar izraža splošno idejo. Zaradi tega načela Zemlja sledi ukrivljeni poti okoli Sonca, Luna pa po ukrivljeni poti okoli Zemlje.
Ključna značilnost splošne relativnosti je, da ukrivljenost prostora vpliva na pot svetlobe in snovi. Ta učinek je znan kot "gravitacijsko lečo." Izkazalo se je, da se razlikuje od načina, kako se svetloba obnaša pod newtonsko gravitacijo, zato je treba takoj uporabiti gravitacijsko lečo, da preverimo, ali je splošna relativnost resnična. Izkazalo se je tudi, da je izjemno koristno za preučevanje najbolj oddaljenih kotičkov vesolja, saj povzroča povečevanje slik oddaljenih galaksij.
Kako deluje gravitacijsko leče? Če svetloba, ki potuje proti nam z neke oddaljene zvezde, poteka mimo drugega masivnega predmeta - recimo druge zvezde ali galaksije -, se svetloba odkloni in njena pot se spremeni. Ko ta svetloba doseže Zemljo, se zdi, da prihaja iz druge smeri kot njena prvotna pot. Na zvezdo vidimo, da je zvezda v drugačnem položaju kot tam, kjer se dejansko nahaja. To navidezno gibanje zvezde v ozadju je natančno dvakratno kot bi videli v newtonski gravitaciji; torej omogoča preprost način za preizkušanje Einsteinove teorije.
Če želite izmeriti, koliko se je slika zvezde premaknila, jo morate biti sposobni opazovati pred in po tem, ko njena svetloba odbije vmesno maso. Običajno nimamo možnosti, da bi se dovolj oddaljili od Zemlje, da bi videli oddaljene zvezde iz dveh različnih zornih kotov, lahko pa izkoristimo dejstvo, da se gibljemo okoli sonca.
Če od sonca opazujemo zvezdo na nasprotnem delu neba, vidimo njen "pravi" položaj. Šest mesecev pozneje bo zvezda na istem delu neba kot sonce, nato pa lahko izmerimo, koliko svetlobe zvezde odbije od mase sonca. Običajno ne moremo opazovati zvezd, ko so blizu sonca, ker je podnevi, ko sonce zahaja. Toda v določenih okoliščinah lahko. Obstaja čas, ko sonce zahaja, sončna svetloba pa je blokirana: popoln sončni mrk.
Maja 1919 so astronomi videli sončni mrk, ki je bil viden iz delov Afrike in Južne Amerike. Za povečanje možnosti uspešnega opazovanja mrka sta bili dve osebi poslani, da ga opazujejo: ena v Brazilijo in ena, ki jo je vodil sir Arthur Eddington, na otok Principe ob obali Zahodne Afrike. Kljub delnemu pokrivanju oblakov je bila ekipa Eddingtona uspešna. Odboj svetlobe, ki so jo izmerili od zvezd v skupini Hyades, se je popolnoma ujemal z Einsteinovo teorijo.
Med popolnim Sončevim mrkom 29. maja 1919 je sir Arthur Eddington (desno) potrdil splošno teorijo relativnosti Einsteina z izračunom odklona zvezdne svetlobe poleg sonca. (AKG) To odkritje je bilo pomembno. "SVETLOBE VSAJ V NEBO. TINIJSKE TRIUMPE EINSTEINA, " je razglasil New York Times. (Dodalo je: "Možje znanosti bolj ali manj naklonjeni rezultatom opazovanj mrka.") Potrdilo je dalo trenutek enotnosti v svetu, ki ga je raztrgala vojna; kot je opozoril fizik JP McEvoy v svoji knjigi Eclipse iz leta 1999, "je novo teorijo vesolja, ki je predstavljal nemški Žid, ki deluje v Berlinu, potrdil angleški Quaker na majhnem afriškem otoku."
Švicarski astronom po imenu Fritz Zwicky je šele leta 1936 spoznal potencial gravitacijske leče kot orodje za raziskovanje vesolja izven naše zvezdne soseščine. Pri izračunu mase grozdov galaksije, ki so bile takrat znane kot ekstragalaktične meglice, je Zwicky opozoril, da obstaja velika verjetnost, da bodo oddaljene galaksije, ki so nameščene za njimi, odklonile svojo svetlobo, ko so mimo teh grozdov. Leta 1937 je zapisal, da nam bo ta učinek "omogočil, da bomo videli meglice na razdaljah, večjih od tistih, ki jih običajno dosegajo celo največji teleskopi."
Ključ tega koncepta je značilnost gravitacijske leče, zaradi česar je neverjetno uporabna: Svetloba, ki bi bila sicer usmerjena stran od nas, je obrnjena v naši smeri, kar pomeni, da vidimo več svetlobe iz izposojenih virov, kot bi jo običajno. Z drugimi besedami, oddaljene galaksije, ki se skrivajo za masivnimi predmeti, se povečujejo. In ker so grozdi galaksij najbolj množične strukture v vesolju, so najboljša povečevalna očala, ki jih ima narava.
Skoraj 50 let je Zwickyjev predlog prejel malo pozornosti. Potencialno izposojene galaksije so bile navsezadnje preveč slabo vidne. To se je spremenilo v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je razvoj prvih naprav za digitalno slikanje nadomestil fotografske plošče in močno povečal občutljivost teleskopov na šibke vire.
Leta 1986 so v galaksijem Abell 370 odkrili dramatičen razširjen lok. Dolg, rdeč lok na tej sliki se je izkazal dvakrat dlje od samega grozda: to je ozadja galaksije - spirala, podobna Mlečni poti - katere svetloba je izkrivila maso grozda, ki jo razteza v ta ogromen lok. Desetletje pozneje je še ena izposojena galaksija podrla rekord najbolj oddaljenega znanega predmeta, prvič po šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je redna galaksija - ne kvazar, najsvetlejši predmeti v vesolju - ta rekord.
Ta vesoljski teleskop Hubble z dolgo osvetlitvijo ogromnega galaksičnega grozda Abell 2744 (v ospredju) je najgloblji kadar koli narejen iz katerega koli grozda galaksij. (NASA / ESA) Leta 2009 je predstavitev vesoljskega teleskopa Hubble (HST) zagotovila najobčutljivejše slike, ki so jih kdaj koli dobili iz oddaljenega vesolja, njegovi zadnji misiji servisiranja pa je dodala novo izjemno občutljivo skoraj infrardečo kamero. Trenutno je v teku Hubble nov program, ki obljublja, da bo še naprej potisnil meje našega pogleda v vesolje: program Hubble Frontier Fields.
Ideja tega programa je narediti neverjetno globoka opazovanja, ki razkrivajo najhitrejše, najbolj oddaljene galaksije, vendar strateško usmerjena v grozde galaksij, da bi izkoristili povečevalni učinek gravitacijske leče. Program bo zajel skupno šest ogromnih galaksijskih grozdov, od katerih je bilo do danes dokončanih pet. Vodilni znanstvenik pri projektu Frontier Fields Jen Lotz ga je označil za "najgloblji pogled na vesolje, kar je bilo kdajkoli posneto".
"Mejna polja so eksperiment, " pravi Matt Mountain, predsednik Združenja univerz za raziskave astronomije (AURA) in nekdanji direktor znanstvenega inštituta za vesoljski teleskop, ki upravlja Hubble. Glavno vprašanje eksperimenta: "Ali lahko za iskanje prvih galaksij uporabimo Hubblejevo izjemno kakovost slike in Einsteinovo teorijo splošne relativnosti?"
Predhodna analiza prvih mejnih polj je že začela prinašati bogat vpogled v zgodnje vesolje. Daleč za prvim grozdom, Abell 2744, smo v zgodnjem vesolju našli nekaj povečanih skupin galaksij - le nekaj sto milijonov let po velikem udaru - ki so morda v procesu oblikovanja lastne kopice.
S skrbnim preučevanjem posnetkov mejnih polj razkrijemo galaksije, povečane 50-krat ali več z gravitacijskim lečanjem. To je nekaj najlepših galaksij, ki so jih kdaj videli v zgodnjem vesolju. Najmanjši izmed njih bo postal nekaj podobnega kot pritlikavec Fornax, majcena galaksija, ki kroži po Mlečni poti in je približno tisoč tisočakov. Čeprav je to po standardih galaksije drobno, se iz mejnih polj učimo, da je bilo v zgodnjem vesolju ogromno majhnih galaksij. Pravzaprav toliko ljudi, da so skupaj lahko bili odgovorni za večino energije v prvih milijardah let vesolja.
Mejo, kako daleč v preteklost lahko vidimo, so postavljene zmogljivosti vesoljskega teleskopa Hubble. Prve galaksije so svojo svetlobo preusmerile tako daleč v infrardečo širitev vesolja, da jih Hubble ne more videti. Vse to se bo spremenilo v letu 2018, ko se bo leta 2018 predstavil Hubblov naslednik, vesoljski teleskop James Webb. Z večjim zrcalom in občutljivejšimi kamerami, ki se lahko zagledajo še naprej v infrardečo povezavo, nam bo Webb omogočil, da še bolj pogledamo v preteklost in v si oglejte še šibke galaksije. Če Webb usmerimo v grozdne grozde in uporabimo gravitacijsko lečo v svojo korist, lahko te meje še naprej potisnemo.
V nekaj letih bomo morda že gledali prve galaksije, ki so se kdajkoli oblikovale.
