For hundre år siden introduserte Albert Einstein en radikal ny måte å tenke på tyngdekraften. Hans generelle relativitetsteori antydet at rom ikke er en tom arena der universets hendelser spiller ut - men en aktiv deltaker i disse hendelsene.
I henhold til generell relativitet, forvrenger alt som har masse - en stjerne, en planet, en oter - rommet rundt det og får det til å krumme seg. Materien kurver plass, og den krumningen forteller andre saker hvordan du skal bevege deg. Vi mennesker er dårlig utstyrt til å forestille oss et buet tredimensjonalt rom, så her er en todimensjonal analogi: hvis en tung ball blir plassert på en trampoline, vil overflaten til trampolinen bøye seg. Hvis du så ruller klinkekuler over overflaten til trampolinen, vil banene deres være buede. Det er en ufullkommen analogi, men formidler den generelle ideen. Dette prinsippet er grunnen til at Jorden følger en buet bane rundt sola og månen følger en buet bane rundt jorden.
Et sentralt trekk ved generell relativitet er at romets krumning påvirker både lysets og materiens vei. Denne effekten er kjent som "gravitasjonslinsing." Dette viser seg å være forskjellig fra måten lys oppfører seg under Newtonsk tyngdekraft, så en øyeblikkelig bruk av gravitasjonslinsing er å teste om generell relativitet er reell. Det viser seg også å være ekstremt nyttig for å studere de fjerneste hjørner av universet, ettersom det får bilder av fjerne galakser til å bli forstørret.
Hvordan fungerer gravitasjonslinsing? Hvis lyset som beveger seg mot oss fra en fjern stjerne, går forbi en annen massiv gjenstand - si en annen stjerne eller galakse - blir det lyset avbøyd, og banen blir endret. Når det lyset når Jorden, ser det ut til å komme fra en annen retning enn den opprinnelige banen. Vi ser stjernen som å være i en annen posisjon på himmelen enn der den faktisk ligger. Denne tilsynelatende bevegelsen av bakgrunnsstjernen er nøyaktig det dobbelte av hva du ville sett i Newtonian tyngdekraften; dermed gir det en enkel måte å teste Einsteins teori.
For å måle hvor mye bildet av en stjerne har beveget seg, må du være i stand til å observere den både før og etter at lyset avbøyes av den mellomliggende masse. Vi har vanligvis ikke muligheten til å komme langt nok unna Jorden til å se fjerne stjerner fra to forskjellige vinkler, men vi kan dra nytte av det faktum at vi beveger oss rundt solen.
Hvis vi observerer en stjerne i motsatt del av himmelen fra solen, ser vi dens "sanne" posisjon. Seks måneder senere vil stjernen være i den samme delen av himmelen som solen, og vi kan da måle hvor mye stjernens lys avbøyes av solens masse. Vi kan vanligvis ikke observere stjerner når de er i nærheten av solen, fordi det er dagtid når solen er oppe. Men under visse omstendigheter kan vi det. Det er en gang når solen er oppe, men sollyset er blokkert: en total solformørkelse.
I mai 1919 fikk astronomene et glimt av en solformørkelse som var synlig fra deler av både Afrika og Sør-Amerika. For å maksimere sjansene for å observere formørkelsen med suksess, ble to lag sendt for å observere den: ett til Brasil og ett, ledet av Sir Arthur Eddington, til øya Principe utenfor kysten av Vest-Afrika. Til tross for delvis skydekke, var Eddingtons team vellykket. Avbøyningen av lyset de målte fra stjernene i Hyades-klyngen stemte perfekt med Einsteins teori.
Under den totale solformørkelsen 29. mai 1919 bekreftet Sir Arthur Eddington (til høyre) Einsteins generelle teori om relativitet ved å beregne avbøyningen av stjernelys ved siden av solen. (AKG) Denne oppdagelsen var viktig. "LYSER ALLE ASKEW I HJEMMELSENE. EINSTEIN TEORIETRIUMFER, " proklamerte New York Times. (Den la til: “Menn av vitenskap mer eller mindre samsvarer med resultatene av formørkelsesobservasjoner.”) Bekreftelsen ga et øyeblikk av enhet i en verden revet i stykker av krig; som bemerket av fysiker JP McEvoy i sin bok i Eclipse fra 1999, "en ny teori om universet, hjernen til en tysk jøde som arbeider i Berlin, ble bekreftet av en engelsk Quaker på en liten afrikansk øy."
Det var først i 1936 at en sveitsisk astronom ved navn Fritz Zwicky innså potensialet med gravitasjonslinsing som et verktøy for å studere universet utenfor vårt stjerners nabolag. Ved beregning av massene av klynger av galakser - kjent den gang som ekstragalaktiske tåler - bemerket Zwicky at det var en god sjanse for at fjernere galakser som ligger bak dem ville få lyset avbøyd når det passerte disse klyngene. I 1937 skrev han at denne effekten "ville gjøre oss i stand til å se tåker i større avstander enn de som vanligvis oppnås med de største teleskopene."
Nøkkelen til dette konseptet er et trekk ved gravitasjonslinsering som gjør det utrolig nyttig: Lys som ellers ville bli ført bort fra oss blir dreid i vår retning, noe som betyr at vi ser mer lys fra linsete kilder enn vi vanligvis ville gjort. Med andre ord blir fjerne galakser som tilfeldigvis ligger bak massive gjenstander forstørret. Og siden galakser er de mest massive strukturene i universet, er de de beste forstørrelsesglassene naturen har å tilby.
I nesten 50 år fikk Zwickys forslag liten oppmerksomhet. De potensielle linsede galaksene var tross alt altfor svake til å bli sett. Det endret seg på 1980-tallet, da utviklingen av de første digitale bildeapparatene erstattet fotografiske plater og dramatisk økte følsomheten til teleskoper for svake kilder.
I 1986 ble en dramatisk utvidet lysbue oppdaget i galakse-klyngen Abell 370. Den lange, røde lysbuen i dette bildet viste seg å være dobbelt så langt unna som selve klyngen: det er en bakgrunnsgalakse - en spiral omtrent som Melkeveien— hvis lys er blitt forvrengt av massen av klyngen, og strekker det inn i denne enorme lysbuen. Et tiår senere brøt en annen linset galakse rekorden for det fjerneste objektet som er kjent, første gang siden 1960-tallet at en vanlig galakse - ikke en kvasar, de lyseste objektene i universet - hadde den rekorden.
Dette langeksponerte Hubble-romteleskopbildet av den enorme galakse-klyngen Abell 2744 (forgrunnen) er den dypeste laget av noen galakser. (NASA / ESA) I 2009 ga lanseringen av Hubble-romteleskopet (HST) de mest følsomme bildene som noen gang er oppnådd av det fjerne universet, og dets endelige serviceoppdrag la til et nytt ekstremt følsomt nær-infrarødt kamera. For tiden på gang med Hubble er et nytt program som lover å skyve grensene for blikket vårt inn i universet enda lenger: Hubble Frontier Fields-programmet.
Tanken bak dette programmet er å gjøre utrolig dype observasjoner som avslører de svakeste, fjerneste galakene - men strategisk rettet mot klynger av galakser for å dra nytte av den forstørrende effekten av gravitasjonslinser. Programmet vil dekke seks massive galakse klynger totalt, hvorav fem er gjennomført til dags dato. Den ledende forskeren på Frontier Fields-prosjektet, Jen Lotz, beskrev det som "den dypeste utsikten over universet som noen gang er tatt."
"The Frontier Fields er et eksperiment, " sier Matt Mountain, president i Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) og tidligere direktør for Space Telescope Science Institute som driver Hubble. Eksperimentets kjernespørsmål: "Kan vi bruke Hubbles utsøkte bildekvalitet og Einsteins teori om generell relativitet for å søke etter de første galaksene?"
Foreløpig analyse av de første Frontier Fields har allerede begynt å gi et vell av innsikt i det tidlige universet. Langt bak den første klyngen, Abell 2744, har vi funnet forstørrede bilder av en gruppe galakser i det tidlige universet - bare noen hundre millioner år etter Big Bang - som kan være i ferd med å danne en egen klynge.
Nøye undersøkelse av bilder fra Frontier Fields avslører galakser forstørret 50 ganger eller mer ved gravitasjonslinsing. Dette er noen av de svakeste galakene som noen gang er sett i det tidlige universet. Den minste av disse vil bli noe som Fornax-dvergen, en bitteliten galakse som går i bane rundt Melkeveien og er omtrent en promille av dens masse. Selv om det er lite etter galaksenormer, lærer vi fra Frontier Fields at det var et stort antall små galakser i det tidlige universet. Så mange, faktisk, at de sammen har vært ansvarlige for mesteparten av energien i de første milliarder årene av universet.
Grensen for hvor langt inn i fortiden vi kan se er satt av mulighetene til Hubble-romteleskopet. De aller første galaksene har lyset forskjøvet så langt inn i det infrarøde ved romutvidelsen at Hubble ikke kan se dem. Dette vil endre seg i 2018 når Hubbles etterfølger, James Webb Space Telescope, lanseres i 2018. Med et større speil og mer følsomme kameraer som kan se lenger inn i det infrarøde, vil Webb tillate oss å kikke enda lenger inn i fortiden, og til se enda svakere galakser. Ved å rette Webb mot galakse-klynger og bruke gravitasjonslinser til vår fordel, kan vi skyve disse grensene ytterligere.
Om bare noen få år kan det hende at vi ser på de aller første galaksene som noen gang har dannet seg.
