For hundrede år siden introducerede Albert Einstein en radikal ny måde at tænke på tyngdekraften. Hans generelle relativitetsteori antydede, at rummet ikke er en tom arena, hvor universets begivenheder spiller ud - men en aktiv deltager i disse begivenheder.
I henhold til den generelle relativitet er alt, hvad der har masse - en stjerne, en planet, en oter - forvrænger rummet omkring det og får det til at krumme. Materiale kurver plads, og den krumning fortæller andre sager, hvordan man bevæger sig. Vi mennesker er dårligt udstyret til at forestille os et buet tredimensionelt rum, så her er en todimensionel analogi: hvis en tung kugle placeres på en trampolin, vil trampolinens overflade bøjes. Hvis du derefter ruller kugler over overfladen af trampolinen, vil deres stier blive buede. Det er en ufuldkommen analogi, men formidler den generelle idé. Dette princip er grunden til, at Jorden følger en buet sti omkring Solen, og Månen følger en buet sti omkring Jorden.
Et centralt træk ved den generelle relativitet er, at rumets krumning påvirker såvel lys som stof. Denne effekt er kendt som "gravitationslinsering." Dette viser sig at være anderledes end den måde, hvorpå lys opfører sig under Newtonian gravitation, så en øjeblikkelig brug af gravitational linse er at teste, om den generelle relativitet er reel. Det viser sig også at være yderst nyttigt at studere de fjerneste hjørner af universet, da det får billeder af fjerne galakser til at forstørres.
Hvordan fungerer gravitationslinse? Hvis lys, der bevæger sig mod os fra en fjern stjerne, passerer en anden massiv genstand - f.eks. En anden stjerne eller galakse - bliver det lys afbøjet, og dets vej ændres. Når dette lys når jorden, ser det ud til at komme fra en anden retning end dens oprindelige sti. Vi ser stjernen som at være i en anden position på himlen end hvor den faktisk ligger. Denne tilsyneladende bevægelse af baggrundstjernen er nøjagtigt dobbelt så meget, som du ville se i Newtonian gravitation; derfor giver det en enkel måde at teste Einsteins teori på.
For at måle hvor meget billedet af en stjerne har bevæget sig, er du dog i stand til at observere den både før og efter at dens lys afbøjes af den mellemliggende masse. Vi har normalt ikke muligheden for at komme langt nok væk fra Jorden til at se fjerne stjerner fra to forskellige vinkler, men vi kan drage fordel af det faktum, at vi bevæger os rundt i solen.
Hvis vi ser en stjerne i den modsatte del af himlen fra solen, ser vi dens "ægte" position. Seks måneder senere vil stjernen være i den samme del af himlen som solen, og vi kan derefter måle, hvor meget stjernens lys afbøjes af solens masse. Vi kan normalt ikke observere stjerner, når de er tæt på solen, fordi det er dagtimerne, når solen er op. Men under visse omstændigheder kan vi det. Der er en gang, hvor solen er op, men sollys er blokeret: en total solformørkelse.
I maj 1919 fik astronomer et glimt af en solformørkelse, der var synlig fra dele af både Afrika og Sydamerika. For at maksimere chancerne for at observere formørkelsen med succes blev to hold sendt til at observere det: et til Brasilien og et, ledet af Sir Arthur Eddington, til øen Principe ud for kysten af Vestafrika. På trods af delvis skydække var Eddingtons team vellykket. Udbøjningen af lyset, de målte fra stjernerne i Hyades-klyngen, matchede Einsteins teori perfekt.
Under den samlede solformørkelse den 29. maj 1919 bekræftede Sir Arthur Eddington (til højre) Einsteins generelle relativitetsteori ved at beregne afbøjning af stjernelys ved siden af solen. (AKG) Denne opdagelse var vigtig. "LYSER ALLE ASKEW I HJEMMERNE. EINSTEIN TEORIETRIUMFER, " proklamerede New York Times. (Den tilføjede: ”Videnskabsmænd mere eller mindre ubehagelige over resultaterne af formørkelsesobservationer.”) Bekræftelsen gav et øjeblik af enhed i en verden, der er splittet af krig; som bemærket af fysiker JP McEvoy i hans bog i formørkelse fra 1999, "en ny teori om universet, hjernebarnet til en tysk jøde, der arbejder i Berlin, blev bekræftet af en engelsk quaker på en lille afrikansk ø."
Det var først i 1936, at en schweizisk astronom ved navn Fritz Zwicky indså potentialet ved gravitationslinsering som et værktøj til at studere universet uden for vores stjernernes kvarter. Når man beregner masserne af klynger af galakser - kendt på det tidspunkt som ekstragalaktiske nebler - bemærkede Zwicky, at der var en god chance for, at fjernere galakser placeret bag dem ville få deres lys afbøjet, når det passerede disse klynger. I 1937 skrev han, at denne virkning "ville gøre det muligt for os at se tåger i større afstand end dem, der normalt opnås med selv de største teleskoper."
Nøglen til dette koncept er et træk ved gravitationslinsering, der gør det utroligt nyttigt: Lys, der ellers ville blive sendt væk fra os, drejes i vores retning, hvilket betyder, at vi ser mere lys fra linsede kilder, end vi normalt ville. Med andre ord forstørres fjerne galakser, der tilfældigvis ligger bag massive genstande. Og da klynger af galakser er de mest massive strukturer i universet, er de de bedste forstørrelsesglas, som naturen har at byde på.
I næsten 50 år fik Zwickys forslag lidt opmærksomhed. De potentielt linsede galakser var trods alt for svage til at kunne ses. Det ændrede sig i 1980'erne, da udviklingen af de første digitale billedbehandlingsapparater erstattede fotografiske plader og dramatisk øgede teleskopernes følsomhed over for svage kilder.
I 1986 blev en dramatisk forlænget bue opdaget i galakse-klyngen Abell 370. Den lange, røde bue på dette billede viste sig at være dobbelt så langt væk som selve klyngen: det er en baggrundsgalakse - en spiral, der ligner Mælkevejen— hvis lys er forvrænget af klyngenes masse og strækker det ind i denne enorme bue. Et årti senere brød en anden linset galakse rekorden for det mest kendte fjernt objekt, første gang siden 1960'erne, at en almindelig galakse - ikke en kvasar, de lyseste objekter i universet - havde denne rekord.
Dette langtidseksponerede Hubble-rumteleskopbillede af en massiv galakse-klynge Abell 2744 (forgrund) er den dybeste nogensinde lavet af en klynge af galakser. (NASA / ESA) I 2009 gav lanceringen af Hubble-rumteleskopet (HST) de mest følsomme billeder nogensinde opnået af det fjerne univers, og dets endelige servicemission tilføjede et nyt ekstremt følsomt nær-infrarødt kamera. I øjeblikket i gang med Hubble er et nyt program, der lover at skubbe grænserne for vores blik ind i universet endnu længere: Hubble Frontier Fields-programmet.
Tanken bag dette program er at foretage utroligt dybe observationer, der afslører de svageste, fjerneste galakser - men strategisk rettet mod klynger af galakser for at drage fordel af den forstørrende effekt af gravitationslinsering. Programmet vil dække seks massive galakse-klynger i alt, hvoraf fem er afsluttet til dags dato. Den førende videnskabsmand på Frontier Fields-projektet, Jen Lotz, beskrev det som "den dybeste opfattelse af universet nogensinde taget."
"The Frontier Fields er et eksperiment, " siger Matt Mountain, præsident for Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) og tidligere direktør for Space Telescope Science Institute, der driver Hubble. Eksperimentets kernespørgsmål: "Kan vi bruge Hubbles udsøgte billedkvalitet og Einsteins teori om generel relativitet til at søge efter de første galakser?"
Den foreløbige analyse af de første Frontier Fields er allerede begyndt at give et væld af indsigt i det tidlige univers. Længe bag den første klynge, Abell 2744, har vi fundet forstørrede billeder af en gruppe galakser i det tidlige univers - kun få hundrede millioner år efter Big Bang - der kan være i færd med at danne en egen klynge.
Omhyggelig undersøgelse af billederne af Frontier Fields afslører galakser, der er forstørret 50 gange eller mere ved gravitationslinse. Dette er nogle af de svageste galakser nogensinde set i det tidlige univers. Den mindste af disse bliver til noget som Fornax-dværgen, en lille galakse, der kredser om Mælkevejen og er omkring en tusindedel af dens masse. Selvom det er lille efter galaksenormer, lærer vi fra Frontier Fields, at der var et stort antal små galakser i det tidlige univers. Så mange, faktisk, at de sammen har været ansvarlige for det meste af energien i de første milliarder år af universet.
Grænsen for hvor langt ind i fortiden vi kan se er indstillet af kapaciteterne i Hubble-rumteleskopet. De allerførste galakser har deres lys skiftet så langt ind i det infrarøde ved ekspansion af rummet, at Hubble ikke kan se dem. Dette vil ændre sig i 2018, når Hubbles efterfølger, James Webb Space Telescope, lanceres i 2018. Med et større spejl og mere følsomme kameraer, der kan se længere ind i det infrarøde, vil Webb give os mulighed for at kigge endnu længere ind i fortiden og til se endnu svagere galakser. Ved at pege Webb mod galakse-klynger og bruge gravitationslinser til vores fordel, kan vi skubbe disse grænser videre.
På bare få år ser vi måske godt på de allerførste galakser, der nogensinde har dannet sig.
