A kutatók a James Webb-űrtávcső használatával felfedezték minden idők első „Einstein-cikcakkját”, vagyis egy olyan alakzatot, amelyen egy kvazár képe az Einstein által bevezetett általános relativitáselméletből következő gravitációs lencsehatás következtében hatszor jelenik meg ugyanazon a felvételen. Ez az önmagában is érdekes kép pedig segíthet választ találni két máig megoldatlan kozmológiai problémára.

A J1721+8842 jelű fényes kvazárt a James Webb-űrtávcső felvételén két egymástól távoli, de pontosan ugyanabba az irányba látszó galaxis lencsézte. Ez egy rendkívül ritka, és egyben lenyűgöző jelenség, amelynek során cikcakk-szerű alakzatként jelenik meg a lencsézett objektum, a hagyományos értelemben vett gravitációs lencsehatás Einstein-keresztjével, avagy Einstein-gyűrűjével ellentétben.

A J1721+8842 nevű kvazár gravitációs lencsézés következtében meghatszorozódott képe. (Forrás: Dux et al. 2024.)

Az itt látott alakzat két kozmológiai probléma vizsgálatában nyújthat segítséget: az egyik az Univerzum 70%-át alkotó, és annak gyorsuló tágulásáért felelős sötét energia természetének rejtélye, a másik pedig az Univerzum tágulási sebességét leíró Hubble-állandó pontos értéke.

Mi is az a gravitációs lencsézés?

Einstein általános relativitása szerint a tömeggel rendelkező testek meghajlítják a téridő szövetét ahhoz hasonlóan, mint ahogy egy tárgy belesüpped a kifeszített lepedőbe. Minél nagyobb az objektum tömege, tehát gravitációs hatása, annál inkább meghajlítja a téridőt.

Akkor beszélünk gravitációs lencsézésről, amikor egy háttérforrásból érkező fény útja megváltozik annak hatására, hogy meghajlítja azt egy (vagy több) nagy tömegű lencséző objektum, amely innen nézve a Föld, illetve a vizsgált forrás közötti, úgynevezett látóirányban helyezkedik el. A lencsézés során a háttérforrás akár többszörösen is látszódhat a felvételen, hiszen az általa kibocsátott fény különböző irányokba haladhat a téridőt meghajlító, nagy tömegű lencséző objektum környezetében. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy egy adott forrásból érkező fény különböző időpontokban érkezhet be a távcsövünk detektorába. Az ilyen képeket nevezzük Einstein-kereszteknek, illetve Einstein-gyűrűknek, ebben a most vizsgált, egyedi esetben pedig Einstein-cikcakknak.

A gravitációs lencsehatás sematikus ábrája. (Forrás: NASA, ESA & L. Calçada.)

A J1721+8842 jelű kvazárt nem a James Webb-űrtávcső vizsgálta először, hanem 2017-ben a Pan-STARRS égboltfelmérés keretében is sikerült megörökíteni. A felvételeken ekkor csak négyszeresen lencséződött a kvazár, a James Webb-űrtvácső érzékeny detektorai azonban észrevették, hogy nem csak egy, hanem egy másik galaxis is részt vesz a lencsézés folyamatában, amelynek köszönhetően a kvazár képe meghatszorozódik.

A J1721+8842 a Pan-STARRS felvételén. (Forrás: Pan-STARRS/ Lemon (2017).) A vizsgált kvazár A-tól F betűig jelölt, hatszoros képe a James Webb-űrtávcső felvételén. (Forrás: Dux et al. 2024.)

Általában a gravitációs lencsehatás megkettőzi, avagy megnégyszerezi a vizsgált források képét, most azonban a két lencséző galaxis különleges helyzete miatt létrejöhetett ez a ritka konfiguráció, és ilyen módon a csaknem 11 milliárd fényévre lévő kvazár 6, cikcakkban elhelyezkedő képe. Ilyesmit pedig most először figyelhetünk meg. A kutatók szerint igen szerencsésnek mondhatjuk magunkat, hiszen a számítások szerint csak 1 kvazár esetén valósul meg ez a különleges lencsézési alakzat 50000-ből, mi pedig jelenleg csupán 300 lencsézett kvazárt ismerünk.

A cikcakk és a kozmológiai kérdések

A kutatók a detektáláson túl a igyekeznek kozmológiai problémákra is megoldást találni a J1721+8842 vizsgálatával. Elsőként megmérték segítségével a Hubble-állandót. Bár erre a célra szinte minden kvazár használható, egy ilyen sokszorosan lencsézett galaxismag esetén jóval pontosabb becslést tudunk adni a konstans értékére.

Bár a Hubble-állandó sokféleképpen, és sokféle csillagászati objektumból megmérhető, az ezekből származó eredmények nem mindig egyeznek egymással, ez pedig egy kozmológiai krízishelyzetet eredményez. Az állandó minél pontosabb megmérése tehát igencsak fontos szerepet játszik ennek a helyzetnek a megoldásában. Emellett a J1721+8842 segítségével becslést adhatunk a sötét energia mennyiségére is a megfelelő állapotegyenletek használatával.

Szintén érdekes eredmény, hogy a lencsézés hatására megsokszorozódott objektumnak a tömegét is meghatározták a kutatók, ez pedig szenzációs, a kvazár rendkívüli távolságát tekintve. Ennek megfelelően a J1721+8842-t vizsgáló csoport a későbbiekben igyekszik még több ehhez hasonló, lencsézett kvazárt felfedezni, és részletesen is megvizsgálni.

Az itt leírtakról szóló tanulmány fellelhető az arXiv preprint-szerveren.

A cikk forrása: https://www.space.com/first-einstein-zig-zag-jwst