Zwaartekrachtlenzen: wanneer het heelal als een telescoop werkt
Licht reist normaal gesproken in rechte lijnen door de ruimte. Toch kan de route van licht veranderen wanneer het langs een zeer zwaar object komt. Een sterrenstelsel, cluster van sterrenstelsels of zelfs een zwart gat kan met zijn enorme zwaartekracht de ruimtetijd vervormen. Daardoor kan ook het licht van een ver achterliggend object worden afgebogen.
Dit verschijnsel noemen we zwaartekrachtlenzen. Het werkt een beetje zoals een gewone lens, maar in plaats van glas zorgt zwaartekracht ervoor dat licht van richting verandert. Hierdoor kunnen astronomen soms verre sterrenstelsels zien die zonder deze kosmische lens veel moeilijker waarneembaar zouden zijn.
Zwaartekrachtlenzen zijn niet alleen bijzonder om naar te kijken. Ze geven wetenschappers ook een manier om de verdeling van massa in het heelal te onderzoeken, zelfs wanneer een groot deel van die massa zelf niet zichtbaar is.
Wat is een zwaartekrachtlens?
Een zwaartekrachtlens ontstaat wanneer een zwaar object zich tussen een waarnemer en een verder weg gelegen lichtbron bevindt.
Dat zware object kan bijvoorbeeld een sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels zijn. De grote hoeveelheid massa vervormt de ruimtetijd eromheen. Wanneer licht van een ver sterrenstelsel langs deze vervormde ruimte reist, volgt het daardoor een gebogen pad.
Vanaf de aarde lijkt het vervolgens alsof het licht een andere richting vandaan komt dan zonder de zwaartekrachtlens het geval zou zijn.
De lens vergroot het beeld niet altijd op dezelfde manier. Afhankelijk van de positie van de waarnemer, de lens en de achtergrondbron kan het licht sterker of zwakker worden afgebogen.
Hoe buigt zwaartekracht licht af?
Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie beïnvloedt massa de vorm van de ruimtetijd. Een zwaar object zorgt voor een sterkere kromming.
Licht volgt in die gekromde ruimtetijd de voor hem natuurlijke route. Voor een waarnemer die vanuit een andere positie naar het licht kijkt, lijkt die route gebogen.
Hoe groter de massa en hoe dichter het licht langs het zware object komt, hoe sterker het effect kan zijn.
Bij een sterrenstelsel kan de afbuiging klein zijn. Bij een enorm cluster van sterrenstelsels kan het effect veel duidelijker worden. Daar bevinden zich niet alleen duizenden sterrenstelsels, maar ook grote hoeveelheden heet gas en donkere materie.
Juist daarom zijn clusters bijzonder interessante zwaartekrachtlenzen.
Van een klein effect tot een kosmisch vergrootglas
Een zwaartekrachtlens kan het licht van een ver sterrenstelsel versterken en vergroten. Daardoor kunnen astronomen objecten bestuderen die anders te zwak zouden zijn om goed te zien.
De lens maakt het verre object niet werkelijk groter. Het licht wordt onderweg anders verspreid, waardoor het beeld vanaf de aarde vergroot kan lijken.
Dit maakt zwaartekrachtlenzen een soort natuurlijk kosmisch vergrootglas.
Vooral verre sterrenstelsels uit het jonge heelal kunnen hiervan profiteren. Hun licht heeft miljarden jaren gereisd voordat het ons bereikt. Wanneer zo’n sterrenstelsel achter een zware cluster staat, kan de zwaartekrachtlens ervoor zorgen dat het licht beter zichtbaar wordt.
Einsteinringen: een bijzondere vorm
Wanneer de achtergrondbron, de zwaartekrachtlens en de waarnemer bijna precies op één lijn staan, kan een bijzonder patroon ontstaan.
Het licht wordt dan vanuit verschillende richtingen naar ons afgebogen. In plaats van één vervormd beeld kan een vrijwel volledige lichtcirkel ontstaan. Dit noemen we een Einsteinring.
De naam verwijst naar Albert Einstein, die het verschijnsel voorspelde vanuit zijn theorie van de algemene relativiteit.
In de praktijk zijn perfecte Einsteinringen zeldzaam. Vaak is de uitlijning niet helemaal precies en ontstaat slechts een gedeeltelijke ring of een gebogen lichtboog.
Toch zijn zulke structuren duidelijk herkenbaar op astronomische beelden.
Meerdere beelden van hetzelfde sterrenstelsel
Een zwaartekrachtlens kan er ook voor zorgen dat één ver sterrenstelsel op meerdere plaatsen aan de hemel lijkt te verschijnen.
Dat klinkt vreemd, maar het komt doordat verschillende lichtstralen vanaf hetzelfde achtergrondobject verschillende routes rond de lens kunnen volgen.
Een waarnemer op aarde ontvangt die lichtstralen vervolgens vanuit verschillende richtingen. Daardoor kunnen meerdere beelden van hetzelfde sterrenstelsel ontstaan.
In sommige gevallen zijn de beelden sterk vervormd. Een sterrenstelsel kan bijvoorbeeld als een lange gebogen boog rond het voorgrondstelsel verschijnen.
Astronomen kunnen deze verschillende beelden herkennen en met elkaar vergelijken. Ze bevatten informatie over zowel het achtergrondobject als de massa van de lens.
Sterrenstelsels en clusters als zwaartekrachtlens
Niet elk object is een even sterke lens.
Een afzonderlijk sterrenstelsel kan al voldoende massa hebben om licht merkbaar af te buigen. Een cluster van sterrenstelsels bevat echter veel meer massa en kan daardoor een veel krachtigere lens vormen.
Dit sluit direct aan op het vorige artikel over sterrenstelsels in clusters. In zo’n cluster bevinden zich grote hoeveelheden materie, waaronder sterren, gas en donkere materie. Samen zorgen zij voor een sterke vervorming van de ruimtetijd.
Op foto’s van verre clusters zijn daarom soms lange, gebogen lichtbogen te zien. Deze bogen zijn geen onderdeel van het cluster zelf. Ze kunnen afkomstig zijn van veel verder weg gelegen sterrenstelsels waarvan het licht onderweg door de zwaartekracht van het cluster is afgebogen.
Wat kunnen astronomen ermee leren?
Zwaartekrachtlenzen zijn veel meer dan een mooi verschijnsel.
Door precies te meten hoe het licht van achtergrondstelsels wordt vervormd, kunnen astronomen onderzoeken hoeveel massa zich in en rond het voorgrondobject bevindt.
Dat is bijzonder belangrijk omdat niet alle massa zichtbaar is.
Sterren en gas kunnen met telescopen worden waargenomen, maar donkere materie geeft zelf geen zichtbaar licht. Toch heeft deze materie wel zwaartekracht.
Als donkere materie de ruimtetijd vervormt, beïnvloedt ze ook de manier waarop licht langs een sterrenstelsel of cluster reist.
Door de patronen van zwaartekrachtlenzen te bestuderen, kunnen wetenschappers daarom de verdeling van donkere materie in kaart brengen.
Sterke en zwakke zwaartekrachtlenzen
Astronomen maken onderscheid tussen verschillende vormen van zwaartekrachtlenzen.
Bij sterke zwaartekrachtlenzen is het effect duidelijk zichtbaar. Er kunnen meerdere beelden, heldere lichtbogen of Einsteinringen ontstaan.
Bij zwakke zwaartekrachtlenzen is de vervorming veel subtieler. Achtergrondstelsels worden slechts een klein beetje uitgerekt of vervormd.
Eén individueel sterrenstelsel laat zo’n kleine verandering vaak nauwelijks zien. Maar wanneer astronomen grote aantallen sterrenstelsels tegelijk analyseren, kunnen ze patronen ontdekken.
Deze methode is bijzonder waardevol voor het onderzoeken van de verdeling van donkere materie over grote gebieden van het heelal.
De lens kan het licht ook versterken
Een zwaartekrachtlens kan niet alleen een beeld vervormen. Onder bepaalde omstandigheden kan de waargenomen helderheid van een achtergrondobject sterk toenemen.
Dat is vooral interessant wanneer een zeer klein object, zoals een ster, achter een zwaartekrachtlens staat.
Als de uitlijning precies genoeg is, kan de helderheid tijdelijk sterk veranderen. Dit noemen we microlensing.
Bij microlensing ontstaat meestal geen duidelijk zichtbare ring of meerdere afzonderlijke beelden. Het effect wordt vooral ontdekt doordat de helderheid van het achtergrondobject verandert.
Astronomen kunnen dit gebruiken om objecten op te sporen die anders moeilijk zichtbaar zijn.
Zwaartekrachtlenzen als hulpmiddel bij het ontdekken van planeten
Microlensing kan zelfs worden gebruikt om planeten buiten ons zonnestelsel te ontdekken.
Wanneer een ster met een planeet voor een veel verder gelegen achtergrondster langs beweegt, kan de zwaartekracht van het systeem het licht van die achtergrondster tijdelijk versterken.
De planeet kan daarbij een kleine extra verandering in de helderheid veroorzaken.
Zo kan een planeet worden ontdekt zonder dat astronomen haar rechtstreeks hoeven te zien.
Dit is vooral interessant voor planeten die op grote afstanden staan en die met andere methoden moeilijk te vinden zijn.
We kijken naar het verleden
Zwaartekrachtlenzen helpen ons ook om naar een ver verleden van het heelal te kijken.
Hoe verder een sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe langer zijn licht onderweg is geweest. Wanneer een zwaartekrachtlens het licht van zo’n ver object versterkt, kunnen astronomen soms sterrenstelsels onderzoeken die ontstonden toen het heelal nog veel jonger was.
Een cluster kan daardoor functioneren als een natuurlijk observatorium voor het vroege heelal.
Met krachtige ruimtetelescopen kunnen astronomen deze vergrote en vervormde beelden analyseren om meer te leren over de eerste generaties sterrenstelsels.
Zwaartekrachtlenzen en tijdvertraging
Lichtstralen die door een zwaartekrachtlens worden afgebogen, kunnen verschillende routes naar de aarde volgen. Die routes hebben niet altijd dezelfde lengte en worden bovendien op verschillende manieren beïnvloed door de gekromde ruimtetijd.
Daardoor kan hetzelfde veranderlijke verschijnsel op verschillende momenten worden waargenomen.
Bijvoorbeeld een verre supernova of een actieve kern van een sterrenstelsel kan via verschillende lichtpaden meerdere keren zichtbaar worden, met tijd tussen de afzonderlijke beelden.
Deze tijdvertragingen kunnen astronomen gebruiken om de eigenschappen van de zwaartekrachtlens en de structuur van het heelal verder te onderzoeken.
Niet iedere lichtboog is een zwaartekrachtlens
Op astronomische foto’s zijn veel gebogen structuren te zien. Toch betekent dat niet automatisch dat ze door zwaartekrachtlenzen zijn ontstaan.
Astronomen moeten zorgvuldig onderzoeken of meerdere beelden daadwerkelijk bij hetzelfde achtergrondobject horen. Ook moeten ze rekening houden met de vorm en verdeling van de massa van het voorgrondobject.
Computermodellen helpen daarbij. Wetenschappers kunnen berekenen hoe licht zich rond een bepaalde verdeling van massa zou moeten gedragen en dit vergelijken met wat telescopen daadwerkelijk waarnemen.
Zo wordt geprobeerd de meest waarschijnlijke massa- en lichtverdeling van het systeem te reconstrueren.
Een kijkje in de onzichtbare massa
Een van de grootste voordelen van zwaartekrachtlenzen is dat ze niet afhankelijk zijn van het licht van de massa zelf.
Een object kan donker zijn en toch de route van licht beïnvloeden.
Dat maakt zwaartekrachtlenzen bijzonder waardevol voor onderzoek naar donkere materie. Wanneer de vervorming van achtergrondstelsels wordt gemeten, kunnen astronomen afleiden waar zich grote hoeveelheden massa bevinden.
Op die manier ontstaat een soort kosmische kaart van materie die we met gewone telescopen niet rechtstreeks kunnen zien.
Een natuurlijk hulpmiddel van het heelal
Zwaartekrachtlenzen laten zien dat het heelal zelf soms als een telescoop kan werken.
Een zwaar sterrenstelsel of een enorme cluster kan het licht van veel verder weg gelegen objecten afbuigen, vervormen en versterken. Daardoor krijgen astronomen toegang tot informatie die zonder deze natuurlijke lens veel moeilijker te verkrijgen zou zijn.
Van Einsteinringen en lichtbogen tot subtiele vervormingen van duizenden achtergrondstelsels: iedere vorm van lenswerking vertelt iets over de massa die het licht onderweg heeft ontmoet.
Zwaartekrachtlenzen verbinden daarmee verschillende onderdelen van de sterrenkunde. Ze helpen bij het bestuderen van verre sterrenstelsels, donkere materie, planeten en zelfs de eigenschappen van het heelal als geheel.
Het bijzondere is dat de lens zelf niet altijd zichtbaar hoeft te zijn. De manier waarop het licht verandert, verraadt dat de ruimtetijd onderweg is vervormd. Zo kunnen astronomen met behulp van licht kijken naar massa die anders grotendeels verborgen zou blijven.