Adam Bolton (Harvard) en Léon Koopmans (RU Groningen) hebben negentien nieuwe zwaartekrachtlenzen opgespoord. Einstein’s relativiteitstheorie voorspelt dat de zwaartekracht van een sterrenstelsel licht uit het verre heelal kan afbuigen zoals een glazen lens. Als de lichtbron, lens en aarde op een rechte lijn staan, zien sterrenkundigen een ring van licht om de lens. Bolton en Koopmans publiceren over hun vondst in een reeks artikelen in het Astrophysical Journal van februari 2006.
Einstein-ringen heten zo naar hun bedenker, Albert E. van wereldfaam. Zijn Algemene Relativiteitstheorie (1915) beschrijft hoe extreme zwaartekracht het weefsel van ruimte-tijd vervormt. Licht mag dan massaloos zijn, maar in Einstein’s theorie kan zwaartekracht het maar al te makkelijk afbuigen. Zwarte gaten en de mildere zwaartekrachtlenzen doen niet anders.
Als licht uit het verre heelal langs een zwaar sterrenstelsel tussen de aarde en de bron scheert, verandert het iets van richting. Een lens in een telescoop doet niet anders. Einstein dacht zelf dat het effect nooit waargenomen zou worden, omdat de kans op het vormen van deze lenzen heel erg klein is. In de loop der jaren zijn honderden zwaartekrachtslenzen gevonden; het aantal Einstein-ringen staat nu op 11.
Zwaartekrachtlens in actie. Licht uit het sterrenstelsel links zou de aarde normaal niet bereiken – het staat zover weg dat onze telescopen niet sterk genoeg zijn om het stelsel te bekijken. Onderweg scheert het licht langs een tweede sterrenstelsel; de lens. Het lens-stelsel bevat niet alleen sterren en gaswolken, maar ook donkere materie. Die oefent wel zwaartekracht uit, maar licht kan er gewoon doorheen. De zwaartekracht van het stelsel buigt de lichtstralen af tot ze bij de aarde samenkomen. Daar kunnen wij door de bundeling het licht van het verre stelsel tóch zien. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Donkere materie
Sterrenkundigen gebruiken zwaartekrachtlenzen om uit te puzzelen hoe het zware, lichtbuigende sterrenstelsel in elkaar zit. Uit de lenskracht kunnen ze bijvoorbeeld afleiden hoeveel donkere materie er in zit. De lens is namelijk net zo sterk als de hoeveelheid massa in het buigende stelsel, en donkere materie verraadt zich alleen door zijn massa. Via een zwaartekrachtlens kunnen sterrenkundigen het dus indirect waarnemen.
Donkere materie is één van de raadsels van de moderne sterrenkunde. Het zorgt er blijkbaar voor dat sterrenstelsels niet uit elkaar vliegen door middelpuntvliedende kracht, maar op extra zwaartekracht na lijkt donkere materie geen enkele invloed uit te oefenen op materie in het heelal. Sterrenkundigen maar ook natuurkundigen hebben nog geen idee wat donkere materie nou voor materiaal is, maar er is veel van het spul: naar schatting tien keer zo veel als het normale materiaal waaruit zon, sterren, planeten en mensen bestaan.
Rotatiesnelheden van sterren; de grofweg constante lijn is de echt gemeten omloopsnelheid van een ster op een bepaalde afstand van het centrum. De rode lijn is de voorspelling die de wetten van Kepler opleveren. Eén pc (parsec) is 3.2616 lichtjaar, of 30,856 × 1012 km. De zon staat op zo’n 10 kiloparsec van het centrum van de melkweg. Volgens de bewegingsleer van Newton horen alle sterren boven de rode, berekende lijn ‘uit de bocht te vliegen’; de zwaartekracht van alle zichtbare materie in de melkweg is niet sterk genoeg om de sterren in zo’n snelle baan te houden. De extra massa die daarvoor nodig is bestaat volgens sterrenkundigen uit donkere materie, nog onbekende deeltjes die we alleen kunnen ‘zien’ door hun zwaartekrachtsveld.
Koopmans en zijn internationale collega’s vonden hun nieuwe zwaartekrachtlenzen met een dubbel onderzoek. Ze gebruikten eerst ruwe data van de geautomatiseerde ‘Sloan Digital Sky Survey’. Daarin gingen ze op zoek naar veelbelovende lichtspectra. Uit de kleuren in een lichtbundel kunnen ze namelijk afleiden wat de samenstelling van de bron was; dat is een goede manier om licht van twee sterrenstelsels te onderscheiden. Als een sterrenstelsel met het ene spectrum een lichtring van een andere spectrum om zich heen heeft, zou dat best eens een zwaartekrachtlens kunnen zijn. Nadat ze een serie veelbelovende stelsels hadden gevonden, bekeken ze die veel nauwkeuriger met de ACS-camera van de Hubble Ruimte Telescoop.
Meer over zwaartekrachtlenzen:
- Persbericht Hubble-instituut (Engels)
- Acht nieuwe ‘Einstein-ringen’ ontdekt
- Zwakke lenswerking verraadt materieverdeling in heelal (Kennislinkartikel)
- Einstein’s Algemene Relativiteit (Kennislinkartikel)
- Sterrenkundigen vinden ‘babystelsel’ (Kennislinkartikel)
- Speuren naar onzichtbare planeten (Kennislinkartikel)
- 50e sterfdag Einstein (Kennislinkartikel)
- De man die de tijd veranderde (Kennislinkartikel)
Meer over donkere materie:
- Mysterieuze materie wiedt dwergstelsels (Kennislinkartikel)
- Het heelal en zijn materie (Kennislinkartikel)