Minden eddiginél mélyebbre fúrnak a Világegyetemben

A NASA legnagyobb űrtávcsövei egyesült erővel próbálnak minden eddiginél távolabbra hatolni a Világegyetem mélységeibe. Ebben még a gravitációs lencsék is a segítségükre lesznek. Talán sikerül megfejteni, mikor és hogyan keletkezhettek az első csillagok. 

A nagyszabású együttműködési program a Frontier Fields (kb. határterületek) nevet kapta. Közreműködői a NASA legnagyobb űrtávcsövei, a Hubble, a Spitzer és a Chandra, valamint egy különös természeti jelenség, a gravitációs lencse. A program keretében a következő három év alatt hat különösen nagy tömegű galaxishalmazt akarnak a csillagászok tüzetesen szemügyre venni. Ám nemcsak arra kíváncsiak, ami a halmazokban van, hanem arra is, amit a halmazok eltakarnak a szemünk elől.

Ilyen a négymilliárd fényév távolságban elhelyezkedő Abell 2744 galaxishalmaz. Anyagának csupán 5 százalékát alkotják a galaxisok, további 20 százalékot a forró, röntgensugárzó gáz tesz ki, míg a sötét anyag képviseli a „maradék” 75 százalékot. Forrás: NASA/ESA/R. Dupke (Eureka Scientific, Inc.), et al.

Az összehangolt megfigyelések első célpontja a déli égbolton a Szobrász (Sculptor) csillagképben található Abell 2744 galaxishalmaz, vagy ismertebb nevén Pandora-halmaz. A hatalmas halmazról a csillagászok azt feltételezik, hogy négy kisebb, különálló galaxishalmaz 350 millió év alatt, több lépésben lejátszódó egybeolvadása eredményeképpen jött létre. Az Abell 2744-et a három nagy távcső mindegyike megfigyelte már korábban is, most azonban pontosan összehangolt vizsgálat következik.

A gravitációslencse-hatásnak köszönhetően talán az egyébként megfigyelhetőeknél százszor halványabb galaxisokat is lencsevégre kaphatnak. Azt remélik, hogy olyan galaxisokat is megláthatnak, amelyek már akkor is léteztek, amikor a Világegyetem még csak néhány százmillió éves volt (jelenleg a Világegyetem kora – éppen a Hubble-űrtávcső pontos megfigyelései szerint – 13,7 milliárd év). Ez segíthet megfejteni, mikor és hogyan keletkezhettek az első csillagok és galaxisok a Világegyetemben. A HST és a Spitzer-űrtávcső méréseit egyesítve az eddiginél pontosabban fogják meghatározni a galaxisok távolságát és tömegét.

A Világegyetem nagyítója

A kép közepén látható, fényes, sárgás színű galaxis gravitációslencse-hatása csaknem tökéletes gyűrűvé torzította a mögötte lévő, sokkal távolabbi, kékes galaxis képét Forrás: NASA

A gravitációs lencsék létezése Albert Einstein általános relativitáselméletéből következik. Einstein elmélete szerint a gravitációs tér elgörbíti az elhaladó fénysugarakat. (A Nap gravitációs terében a fény elgörbítésének tényét már néhány évvel a relativitáselmélet megszületése után sikerült egy teljes napfogyatkozás megfigyelésekor igazolni.) Ha valamelyik nagy tömegű galaxishalmaz „mögött”, vagyis a Földről nézve azzal pontosan azonos irányban, de a halmaznál sokkal messzebb egy másik objektum helyezkedik el, akkor lép fel a gravitációslencse-jelenség. Az utóbbiak jellemzően nagyon távoli, tehát ősi, a Világegyetem korai időszakában létező galaxisok. A közeli tömeg úgy fókuszálja a távoli objektum fényét, mint a gyűjtőlencse a mögötte elhelyezkedő tárgyról érkező fénysugarakat – és szerencsés esetben éppen felénk. Így a távoli objektum fényesebbnek és nagyobbnak látszik annál, mintha nem takarná el előlünk az óriás galaxishalmaz.

A nagy tömegek a gyűjtőlencsékhez hasonlóan változtatják meg a fénysugár útját. Így jön létre a gravitációs lencsének nevezett jelenség. Forrás: NASA

A távoli objektumot természetesen csak akkor tudjuk a gravitációs lencse által alkotott képből rekonstruálni, ha a közelebbi nagy tömeget - esetünkben a nagy galaxishalmazokat - pontosan ismerjük, sőt nemcsak azt, hogy mekkora a tömege, hanem a belső szerkezetét és a tömegeloszlását is. Ennek feltárásában segít a három nagy űrtávcső összehangolt munkája. A megvizsgálandó hat nagy galaxishalmaz szerkezetének feltárása viszont hozzásegíthet a Világegyetem anyagának jelentős részét kitevő, titokzatos sötét anyag mibenlétének tisztázásához. Ehhez leginkább a Hubble nagyfelbontású felvételeit használják majd.

A Hubble-űrtávcsővel már korábban is elvégezték egy-egy szűk égboltterület nagyon alapos és mélyreható vizsgálatát, de a csillagászok rájöttek, hogy az eredmények megsokszorozódnak, ha a HST megfigyeléseit más hullámhossztartományokban végzett mérésekkel is kiegészítik.

Az új program kulcsfontosságú közreműködője a több mint két évtizede megbízhatóan szolgáló Hubble-űrtávcső. Forrás: NASA

A programban részt vevő három űrtávcső a NASA úgynevezett „Nagy Obszervatóriumok” sorozatába tartozik. (Negyedik társuk, a Compton gammacsillagászati obszervatórium már nem működik, küldetése végén a hatalmas űreszközt a Csendes-óceánba irányították, megelőzendő, hogy irányíthatatlanul becsapódó űrszemétté váljék.) A három óriásműszer jól kiegészíti egymást, mert az elektromágneses hullámok más-más tartományát vizsgálják.

A Hubble-űrtávcső 1990 tavasza óta kering a Föld körül. Elsősorban a látható fény tartományában, valamint az ibolyántúli és a közeli infravörös tartományokban dolgozik. A Spitzer-űrtávcső tíz éve kering Nap körüli pályán, infravörös megfigyeléseket végez. Üzemeltetője a NASA Sugárhajtás Laboratóriuma (JPL), a tudományos munkát a Kaliforniai Műszaki Egyetemen működő Spitzer Tudományos Központ koordinálja. A Chandra-obszervatórium 1999 óta végzi röntgencsillagászati megfigyeléseit a Föld körüli pályájáról.

A Frontier Field testhezálló program a három nagy űrobszervatórium számára, hiszen mindegyiket azzal a céllal készítették, hogy segítsen a Világegyetem titkainak feltárásában – mondta a fentiekről John Grunsfeld, a NASA tudományos programjaiért felelős főigazgató-helyettese. Persze, ha ez ilyen magától értetődő, akkor csak egyetlen kérdésre nem kapunk választ: miért kellett mostanáig várni a három távcső összehangolt működésére?