Světlo a gravitační iluze: Jak funguje gravitační čočka (2.)

Einstein, povzbuzen výsledkem Eddingtonovy expedice a také požadavkem Rudiho W. Mandla, inženýra a amatérského astronoma z Československa, který jej navštívil v roce 1936 v Princetonu, publikoval v témže roce v časopise Science krátkou zprávu: zmínil v ní výpočty hypotetického jevu vycházejícího z ohybu světla kolem hmotných objektů, které provedl již v Berlíně v roce 1912, avšak vrátil se k nim až na Mandlův popud.

Nepřehledněte první díl článku: Dvojí povaha světla a gravitační ohyb světla

Představme si situaci, kdy se v přímce nachází vzdálená hvězda, blízká hvězda a pozorovatel. Bude-li vzdálenost pozorovatele od bližší z hvězd velká, bude její gravitace ohýbat světlo vzdálené hvězdy ve všech směrech. Einstein odvodil, že světlo vzdálené hvězdy by se rozplizlo do prstence okolo blízké hvězdy. V následujícím odstavci své zprávy však Einstein připustil, že rozměr zmíněného prstence by byl zcela mimo rozlišovací schopnosti soudobých dalekohledů, a pro pozorovatele by tedy prstenec zdegeneroval na pouhý bod, jehož jas by však byl větší než původní jas vzdálené hvězdy. Hvězda na spojnici by se chovala jako čočka – zesilovala by světlo vzdálených objektů. Avšak i to považoval Einstein za nepozorovatelné.

Mandlova myšlenka i Einsteinovo řešení se dostaly mimo jiné do rukou Fritze Zwickyho, známého švýcarsko-amerického astronoma s českými kořeny. Zwicky si na rozdíl od Einsteina uvědomil, že čočkování vzdálenými hvězdami je sice zanedbatelné, ale stejně by se měly chovat vzdálené galaxie, které mají mnohem větší hmotnost, a tudíž i větší vliv na světlo vzdálených objektů. Až do konce života vyzýval Zwicky k hledání gravitačních čoček. 

První byla nalezena až v roce 1979, pět let po Zwickyho smrti – jedná se o „Dvojitý kvazar“ v souhvězdí Velké medvědice. Pečlivá pozorování ukazovala, že světla dvou kvazarů, které se na obloze jeví neobvykle blízko, jsou si neuvěřitelně podobná – mírou gravitačního rudého posuvu i spektrem. Po více než třiceti letech pozorování se ukazuje, že jde skutečně o dva obrazy téhož vzdáleného kvazaru, ležícího ve vzdálenosti 8,7 miliardy světelných let, čočkované eliptickou galaxií ležící ve vzdálenosti 3,7 světelného roku mezi námi a reálným kvazarem. Bez zajímavosti nezůstává, že světelné změny jednoho z obrazů se odehrávají se čtrnáctiměsíčním zpožděním. Světlo druhého obrazu cestuje po ohnuté trajektorii o více než světelný rok delší dobu, což způsobuje tento měřitelný fázový posun. 

Gravitačně-čočková polévka

Dnešní dalekohledy mají mnohem lepší prostorové rozlišení než přístroje Einsteinovy éry. Pozorují tedy hned několik režimů gravitačních čoček. Silné gravitační čočky vytvářejí dobře pozorovatelné, Einsteinem předpovězené prstence, které jsou natolik symetrické, že je vědci v dřívějších dobách považovali za artefakty na fotografických deskách. Silné gravitační čočky mohou zesílit světlo a zvětšit obraz vzdálených galaxií do té míry, že se z nedosažitelného bodového zdroje stane jasný plošný objekt, u nějž lze studovat strukturu. 

Pokud je však čočkující objekt méně hmotný nebo v nevhodné geometrii, vzdálený objekt se nezobrazí jako plný prstenec, ale jako jeho úseky nebo pouhé vícečetné obrazy. Efekty slabého gravitačního čočkování se mezi gravitačními čočkami vyskytují přirozeně nejčastěji. Světlo vzdálených galaxií při své cestě k pozorovateli podléhá gravitačnímu vlivu kup galaxií ležících na dané trase a ve výsledku končí v deformovaných a protažených obrazech. Rozložení těchto porušených obrazů v prostoru lze naopak využít ke studiu čočkujících objektů. Když byl v roce 1990 vypuštěn Hubbleův vesmírný dalekohled, spatřil efekty gravitačního čočkování v každé kupě galaxií, do které se podíval. Dlouhé expozice s tímto dalekohledem (v projektech hlubokých polí) umožnily odhalit velmi vzdálené galaxie přinášející informaci z období jen velmi krátce po Velkém třesku, z nichž mnohé bylo možné spatřit výhradně díky efektům gravitačních čoček. 

Citlivost dnešních detektorů umožňuje všímat si i čočkování méně hmotnými objekty, než jsou galaxie, hvězdami, nebo dokonce extrasolárními planetami. Gravitační mikročočky se však projevují pouze v souladu s Einsteinovým článkem z roku 1936, tedy zjasněním. Vzhledem k tomu, že čočkující objekt se obvykle vůči spojnici vzdálený objekt – pozorovatel pohybuje, jsou efekty gravitačních mikročoček na rozdíl od těch klasických pouze jednorázové. Nárůst jasnosti (světelná křivka, která svým tvarem připomíná zvon, je bez zaváhání rozlišitelná od jiných druhů hvězdné proměnnosti) pozorujeme pouze v případě, že mikročočka přechází přes zornou přímku.

Nicméně i mikročočky poskytují jakési informace o prostorovém rozlišení, avšak právě čočkujících objektů. Jde-li o objekt složitější, vícehvězdu nebo hvězdu obklopenou planetární soustavou, je i světelná křivka jevu složitější a z jejího tvaru lze usoudit na vlastnosti objektů, které čočkování způsobují. Z 1 039 extrasolárních planet známých k letošnímu Svatému Martinu se jich 24 podařilo odhalit prostřednictvím gravitačního mikročočkování. 

Jak mapovat neviditelné

Zjevná hračička v rukou šikovných astronomů má však i překvapivé využití. Slabým gravitačním čočkováním se totiž projevuje veškerá látka podléhající gravitační interakci, tedy i temná hmota. Tajemná entita ohýbá světla vzdálených galaxií, což umožnilo využít snímky galaktických kup pořizovaných Hubbleovým dalekohledem k rekonstrukci třírozměrných map rozložení temné hmoty ve vesmíru. Je zajímavé, že stejnou metodu navrhoval již zmíněný Fritz Zwicky, objevitel temného hmoty, desítky let předtím, než se tato metoda stala realizovatelnou. 

Rekonstrukce rozložení temné hmoty v kupách galaxií poukázala na zajímavé souvislosti. V kupách, které jsou v relativním klidu, spolu temná a svítící hmota koexistují, zřejmě kvůli vzájemnému gravitačnímu přitahování. Naproti tomu v kupách, které vznikly srážkou menších kup, dochází často k oddělení temné a svítící hmoty. Na obřích vesmírných škálách vytváří temná hmota vláknitou strukturu, přičemž v místě styku více vláken se koncentruje svítící hmota a nacházejí se tam kupy a nadkupy galaxií. 

Kosmologické modely nás přesvědčují, že chladná temná hmota je pro následnou hierarchickou kondenzaci „horké“ svítící hmoty nutná, jinak by se nikdy hierarchicky nevytvořily galaxie ani hvězdy. Užitečné informace o tomto dění získáváme i prostřednictvím světla podléhajícího vlivu gravitačních polí.