Prije stotinu godina Albert Einstein uveo je radikalan novi način razmišljanja o sili gravitacije. Njegova opća teorija relativnosti smatra da prostor nije prazna arena u kojoj se odigravaju događaji u svemiru - već aktivni sudionik tih događaja.
Prema općoj relativnosti, sve što ima masu - zvijezda, planet, vidra - iskrivljuje prostor oko sebe, uzrokujući da se zakrivi. Materija zakrivljava prostor, a ta zakrivljenost govori drugim stvarima kako se kretati. Mi ljudi smo slabo opremljeni da zamislimo zakrivljeni trodimenzionalni prostor, pa evo dvodimenzionalne analogije: ako se teška kugla postavi na trampolinu, površina trampolina će se saviti. Ako zatim valjate mramor po površini trampolina, njihove će staze biti zakrivljene. To je nesavršena analogija, ali prenosi opću ideju. Ovaj princip je razlog zašto Zemlja slijedi zakrivljenu stazu oko Sunca, a Mjesec slijedi zakrivljenu stazu oko Zemlje.
Ključno obilježje opće relativnosti je da zakrivljenost prostora utječe na put svjetlosti kao i materije. Ovaj je učinak poznat i kao "gravitacijsko leće". Ispada da se razlikuje od načina na koji se svjetlost ponaša pod newtonskom gravitacijom, tako da je trenutna upotreba gravitacijskog leća provjeravanje je li opća relativnost stvarna. Također se ispostavilo da je izuzetno korisno za proučavanje najudaljenijih krajeva svemira, jer uzrokuje uvećavanje slika dalekih galaksija.
Kako djeluje gravitacijsko leće? Ako svjetlost koja putuje prema nama iz neke daleke zvijezde prolazi pored drugog masivnog objekta - recimo, druge zvijezde ili galaksije - ta se svjetlost odbija i put joj se mijenja. Kad ta svjetlost dosegne Zemlju, čini se da dolazi iz drugog smjera nego što je bio izvorni put. Vidimo da se zvijezda nalazi na nebom različitom položaju od onoga gdje se zapravo nalazi. Ovo prividno kretanje pozadinske zvijezde točno je dvostruko više nego što biste vidjeli u gravitaciji Newtonova; stoga pruža jednostavan način za testiranje Einsteinove teorije.
Da biste izmjerili koliko se slika zvijezde pomaknula, morate je biti u mogućnosti promatrati i prije i nakon što svjetlost bude odbijena od strane intervencijske mase. Obično nemamo mogućnost da se dovoljno udaljimo od Zemlje da bismo vidjeli udaljene zvijezde iz dva različita kuta, ali možemo iskoristiti činjenicu da se krećemo oko sunca.
Ako od sunca promatramo zvijezdu u suprotnom dijelu neba, vidimo njezin „pravi“ položaj. Šest mjeseci kasnije, zvijezda će se nalaziti na istom dijelu neba kao i sunce, a mi tada možemo izmjeriti koliko svjetlosti zvijezde odbija u odnosu na masu sunca. Obično ne možemo promatrati zvijezde kad su blizu sunca, jer je dan, kad sunce izlazi. Ali pod određenim okolnostima to možemo. Postoji jedno vrijeme kada sunce izlazi, ali sunčevo svjetlo je blokirano: totalna pomrčina Sunca.
U svibnju 1919. astronomi su morali pomračiti pomračenje Sunca koje je bilo vidljivo iz dijelova Afrike i Južne Amerike. Da bi se maksimizirale šanse za uspješno pomračenje pomračenja, poslane su dvije ekipe da ga promatraju: jedna u Brazil i jedna, koju je vodio sir Arthur Eddington, na otok Principe kraj obale zapadne Afrike. Unatoč djelomičnom oblačnom pokrivanju, Eddingtonov tim bio je uspješan. Odbojnost svjetlosti koju su izmjerili od zvijezda u Hyadesovom klasteru savršeno se podudarala s Einsteinovom teorijom.
Za vrijeme potpunog pomračenja Sunca 29. svibnja 1919. godine, sir Arthur Eddington (desno) potvrdio je Einsteinovu opću teoriju relativnosti izračunavanjem otklona svjetlosne svjetlosti pored sunca. (AKG) To je otkriće bilo važno. "SVJETLO SVE POGLEDAJTE U NEBO. TINIJSKI TRIUMPI EINSTEINA", proglasio je New York Times. (Dodao je: "Ljudi više ili manje naporni zbog rezultata promatranja pomračenja.") Potvrda je pružila trenutak jedinstva u svijetu rastrganom ratom; kako je napomenuo fizičar JP McEvoy u svojoj knjizi Eclipse iz 1999. godine, "novu teoriju o svemiru, dijete njemačkog Židova koji je radio u Berlinu, potvrdio je engleski kveker na malom afričkom otoku."
Tek 1936. švicarski astronom po imenu Fritz Zwicky shvatio je potencijal gravitacijskog leća kao oruđa za proučavanje svemira izvan našeg zvjezdanog susjedstva. Prilikom izračunavanja masa grozdova galaksija - u to vrijeme poznatih kao ekstragalaktičke maglice - Zwicky je primijetio da postoji velika vjerojatnost da će udaljenije galaksije koje se nalaze iza njih odbiti svjetlost dok prolaze kroz ove klastere. 1937. godine napisao je da će nam ovaj efekt "omogućiti da vidimo maglice na udaljenostima većim od onih koje obično dosežu čak i najveći teleskopi."
Ključ ovog koncepta je značajka gravitacijskog leća što ga čini nevjerojatno korisnim: Svjetlost koja bi se inače usmjerila dalje od nas je okrenuta u našem smjeru, što znači da vidimo više svjetla iz lentiranih izvora nego što bi to obično bili. Drugim riječima, uvećane su daleke galaksije koje slučajno stoje iza masivnih objekata. A budući da su nakupine galaksija najmasovnije građe u svemiru, one su najbolje lupe koje priroda može ponuditi.
Gotovo 50 godina Zwickyjev prijedlog izazvao je malo pozornosti. Na kraju su potencijalne zakupljene galaksije bile previše slabe da bi se mogle vidjeti. To se promijenilo 1980-ih, kada je razvoj prvih uređaja za digitalno snimanje zamijenio fotografske ploče i dramatično povećao osjetljivost teleskopa na onesviještene izvore.
Godine 1986. otkriven je dramatični prošireni luk u galaksiji Abell 370. Dugi, crveni luk na ovoj slici pokazao se dvostruko dalje od samog klastera: to je pozadinska galaksija - spirala slična Mliječnom putu - čiju je svjetlost izobličila masa grozda, protežući je u ovaj ogroman luk. Desetljeće kasnije, druga posuđena galaksija oborila je rekord za najudaljeniji poznati predmet, prvi put nakon šezdesetih godina prošlog vijeka da je obična galaksija - a ne kvazar, najsvjetliji objekti u svemiru - držala taj rekord.
Ova svemirska teleskopska teleskop Hubble s dugim izlaganjem ogromnog galaksijskog skupa Abell 2744 (prednji plan) najdublji je ikad napravljen od bilo kojeg klastera galaksija. (NASA / ESA) 2009. godine, lansiranje svemirskog teleskopa Hubble (HST) pružilo je najosjetljivije slike ikada dobivenih iz dalekog svemira, a njegovom posljednjem servisiranju dodan je novi izuzetno osjetljiv fotoaparat blizu infracrvenog zračenja. Trenutno je u toku s Hubbleom novi program koji obećava još više gurnuti granice našeg pogleda u svemir: program Hubble Frontier Fields.
Ideja ovog programa je izvršiti nevjerojatno duboka promatranja koja otkrivaju najslađe, najudaljenije galaksije - ali strateški usmjerena na grozdove galaksija kako bi se iskoristili povećali efekti gravitacijskog leća. Program će obuhvatiti ukupno šest masivnih galaksija, od kojih je pet do danas dovršeno. Vodeća znanstvenica na projektu Frontier Fields, Jen Lotz, opisala ga je kao "najdublji pogled na svemir koji je ikada snimljen".
"Frontier Field je eksperiment", kaže Matt Mountain, predsjednik Udruženja sveučilišta za istraživanje astronomije (AURA) i bivši direktor Znanstvenog instituta za svemirski teleskop koji upravlja Hubbleom. Suštinsko pitanje eksperimenta: "Možemo li upotrijebiti Hubble izvrsnu kvalitetu slike i Einsteinovu teoriju opće relativnosti za traženje prvih galaksija?"
Preliminarna analiza prvih pograničnih polja već je počela pružati bogat uvid u rani svemir. Daleko iza prvog klastera, Abell 2744, pronašli smo uveličane slike skupine galaksija u ranom svemiru - samo nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska - koje su možda u procesu formiranja vlastitog klastera.
Pažljivim proučavanjem slika Graničnog polja otkrivaju se galaksije uvećane 50 puta ili više gravitacijskim lećanjem. Ovo su neke od najsjajnijih galaksija ikad viđenih u ranom svemiru. Najmanji od njih postat će nešto poput patuljka Fornaxa, malene galaksije koja orbitira na Mliječnom putu i iznosi oko tisuću njegove mase. Iako je to prema standardima galaksija, od pograničnih polja učimo da je u ranom svemiru bio ogroman broj malih galaksija. U stvari, toliko da su možda zajedno bili odgovorni za većinu energije u prvih milijardu godina svemira.
Granica koliko daleko u prošlost možemo vidjeti postavljana je mogućnostima svemirskog teleskopa Hubble. Prve galaksije svoje su svjetlo toliko pomaknule u infracrveno širenje prostora da ih Hubble ne može vidjeti. Sve će se to promijeniti u 2018. godini kada Hubbleov nasljednik, James Webb svemirski teleskop, lansira 2018. S većim zrcalom i osjetljivijim kamerama koje se mogu vidjeti dalje u infracrvenom stanju, Webb će nam omogućiti da zavirimo još dalje u prošlost i prikazuju čak i slabije galaksije. Putanjem Webba u galaksije i korištenjem gravitacijskog leće u našu korist, još uvijek možemo gurnuti te granice.
U samo nekoliko godina možda ćemo promatrati prve galaksije koje su ikada nastale.
