Honderd jaar geleden introduceerde Albert Einstein een radicale nieuwe manier van denken over de zwaartekracht. Zijn algemene relativiteitstheorie stelde dat ruimte geen lege arena is waarin de gebeurtenissen van het universum zich afspelen, maar een actieve deelnemer aan die gebeurtenissen.
Volgens de algemene relativiteitstheorie vervormt alles dat massa heeft - een ster, een planeet, een otter - de ruimte eromheen, waardoor het kromt. Materie kromt ruimte, en die kromming vertelt andere materie hoe te bewegen. Wij mensen zijn slecht uitgerust om ons een gebogen driedimensionale ruimte voor te stellen, dus hier is een tweedimensionale analogie: als een zware bal op een trampoline wordt geplaatst, zal het oppervlak van de trampoline buigen. Als je dan knikkers over het oppervlak van de trampoline rolt, zullen hun paden gebogen zijn. Het is een onvolmaakte analogie, maar brengt het algemene idee over. Dit principe is waarom de aarde een gebogen pad rond de zon volgt en de maan een gebogen pad rond de aarde.
Een belangrijk kenmerk van de algemene relativiteitstheorie is dat de kromming van de ruimte zowel het pad van licht als materie beïnvloedt. Dit effect staat bekend als "zwaartekrachtlenzen". Dit blijkt anders te zijn dan de manier waarop licht zich gedraagt onder Newtoniaanse zwaartekracht, dus een onmiddellijk gebruik van zwaartekrachtlenzen is om te testen of algemene relativiteit echt is. Het blijkt ook buitengewoon nuttig te zijn voor het bestuderen van de meest afgelegen uithoeken van het universum, omdat hierdoor de afbeeldingen van verre sterrenstelsels worden vergroot.
Hoe werkt gravitatie lensing? Als licht dat vanuit een verre ster op ons af komt langs een ander massief object - bijvoorbeeld een andere ster of melkwegstelsel - wordt dat licht afgebogen en verandert het pad. Wanneer dat licht de aarde bereikt, lijkt het uit een andere richting te komen dan zijn oorspronkelijke pad. We zien de ster in een andere positie aan de hemel dan waar hij zich feitelijk bevindt. Deze schijnbare beweging van de achtergrondster is precies het dubbele van wat je zou zien in de Newtoniaanse zwaartekracht; daarom biedt het een eenvoudige manier om de theorie van Einstein te testen.
Om te meten hoeveel het beeld van een ster is verplaatst, moet je het echter kunnen observeren, zowel voor als nadat het licht wordt afgebogen door de tussenliggende massa. We hebben meestal niet de optie om ver genoeg weg van de aarde te komen om verre sterren te zien vanuit twee verschillende hoeken, maar we kunnen profiteren van het feit dat we rond de zon bewegen.
Als we een ster aan de andere kant van de hemel dan de zon observeren, zien we zijn 'ware' positie. Zes maanden later zal de ster zich in hetzelfde deel van de hemel bevinden als de zon, en dan kunnen we meten hoeveel het licht van de ster wordt afgebogen door de massa van de zon. Meestal kunnen we sterren niet observeren als ze dicht bij de zon staan, omdat het overdag is wanneer de zon opkomt. Maar onder bepaalde omstandigheden kunnen we dat. Er is één keer dat de zon op is, maar het zonlicht is geblokkeerd: een totale zonsverduistering.
In mei 1919 kregen astronomen een glimp te zien van een zonsverduistering die zichtbaar was vanuit delen van zowel Afrika als Zuid-Amerika. Om de kansen om de eclips met succes te observeren te maximaliseren, werden twee teams uitgezonden om deze te observeren: een naar Brazilië en een, geleid door Sir Arthur Eddington, naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika. Ondanks gedeeltelijke bewolking was het team van Eddington succesvol. De afbuiging van het licht dat ze vanaf de sterren in het Hyades-cluster maten, kwam perfect overeen met de theorie van Einstein.
Tijdens de totale zonsverduistering op 29 mei 1919 bevestigde Sir Arthur Eddington (rechts) de algemene relativiteitstheorie van Einstein door de afbuiging van sterrenlicht naast de zon te berekenen. (AKG) Deze ontdekking was gedenkwaardig. "LICHT ALLE ASKEW IN DE HEMEL. EINSTEIN THEORIE TRIUMPHS, " verklaarde de New York Times. (Het voegde eraan toe: "Men of Science min of meer Agog Over resultaten van Eclipse-waarnemingen.") De bevestiging bood een moment van eenheid in een wereld verscheurd door oorlog; zoals opgemerkt door natuurkundige JP McEvoy in zijn boek Eclipse uit 1999, "een nieuwe theorie van het universum, het geesteskind van een Duitse jood die in Berlijn werkt, werd bevestigd door een Engelse Quaker op een klein Afrikaans eiland."
Pas in 1936 besefte een Zwitserse astronoom genaamd Fritz Zwicky het potentieel van zwaartekrachtlenzen als een hulpmiddel om het universum buiten onze sterrenwijk te bestuderen. Bij het berekenen van de massa's clusters van sterrenstelsels - destijds bekend als extragalactische nevels - merkte Zwicky op dat er een goede kans was dat meer verre sterrenstelsels zich achter hen zouden laten afbuigen als het langs deze clusters passeerde. In 1937 schreef hij dat dit effect "ons in staat zou stellen nevels te zien op grotere afstanden dan die gewoonlijk worden bereikt door zelfs de grootste telescopen."
De sleutel tot dit concept is een kenmerk van zwaartekrachtlenzen die het ongelooflijk nuttig maken: licht dat anders van ons weg zou worden gericht, wordt in onze richting gedraaid, wat betekent dat we meer licht van lensbronnen zien dan we normaal zouden doen. Met andere woorden, verre sterrenstelsels die toevallig achter massieve objecten liggen, worden vergroot. En omdat clusters van sterrenstelsels de meest massieve structuren in het universum zijn, zijn ze de beste vergrootglazen die de natuur te bieden heeft.
Bijna 50 jaar lang kreeg Zwicky's suggestie weinig aandacht. De potentiële lensstelsels waren tenslotte veel te zwak om te worden gezien. Dat veranderde in de jaren tachtig, toen de ontwikkeling van de eerste digitale beeldvormingsapparatuur fotografische platen verving en de gevoeligheid van telescopen voor zwakke bronnen dramatisch verhoogde.
In 1986 werd een dramatische uitgebreide boog ontdekt in de melkwegcluster Abell 370. De lange rode boog in deze afbeelding bleek twee keer zo ver weg te zijn als de cluster zelf: het is een achtergrondmelkweg - een spiraal die lijkt op de Melkweg - wiens licht is vervormd door de massa van het cluster, waardoor het zich uitstrekt in deze enorme boog. Een decennium later brak een ander lensvormig sterrenstelsel het record voor het meest verre object dat bekend was, de eerste keer sinds de jaren 1960 dat een normaal sterrenstelsel - geen quasar, de helderste objecten in het universum - dat record had bewaard.
Dit Hubble Space Telescope-beeld met lange belichting van massieve melkwegcluster Abell 2744 (voorgrond) is de diepste ooit gemaakt van een cluster van sterrenstelsels. (NASA / ESA) In 2009 leverde de lancering van de Hubble Space Telescope (HST) de meest gevoelige beelden op die ooit werden verkregen van het verre universum, en de laatste onderhoudsmissie voegde een nieuwe extreem gevoelige bijna-infraroodcamera toe. Momenteel is Hubble bezig met een nieuw programma dat belooft de grenzen van onze blik nog verder in het universum te verleggen: het Hubble Frontier Fields-programma.
Het idee achter dit programma is om ongelooflijk diepe waarnemingen te doen die de zwakste, meest verre sterrenstelsels onthullen - maar strategisch gericht op clusters van sterrenstelsels om te profiteren van het vergrotende effect van zwaartekrachtlenzen. Het programma zal in totaal zes enorme melkwegclusters bestrijken, waarvan er tot nu toe vijf zijn voltooid. De hoofdwetenschapper van het Frontier Fields-project, Jen Lotz, beschreef het als "de diepste kijk op het universum ooit genomen."
"The Frontier Fields is een experiment", zegt Matt Mountain, voorzitter van de Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) en voormalig directeur van het Space Telescope Science Institute dat Hubble exploiteert. De kernvraag van het experiment: "Kunnen we de uitstekende beeldkwaliteit van Hubble en de algemene relativiteitstheorie van Einstein gebruiken om naar de eerste sterrenstelsels te zoeken?"
Een voorlopige analyse van de eerste Frontier Fields is al begonnen met een schat aan inzicht in het vroege universum. Ver achter het eerste cluster, Abell 2744, hebben we vergrote afbeeldingen gevonden van een groep sterrenstelsels in het vroege universum - slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal - die misschien een eigen cluster vormen.
Zorgvuldige studie van de Frontier Fields-afbeeldingen onthult sterrenstelsels die 50 keer of meer worden vergroot door zwaartekrachtlenzen. Dit zijn enkele van de zwakste sterrenstelsels die ooit in het vroege universum zijn gezien. De kleinste hiervan zal zoiets worden als de Fornax-dwerg, een kleine melkweg die rond de Melkweg draait en ongeveer een duizendste van zijn massa heeft. Hoewel dat klein is voor melkwegstandaarden, leren we van de Frontier Fields dat er een groot aantal kleine sterrenstelsels in het vroege universum waren. Zoveel zelfs, dat ze samen verantwoordelijk zijn geweest voor het grootste deel van de energie in de eerste miljard jaar van het universum.
De limiet van hoe ver we in het verleden kunnen zien, wordt bepaald door de mogelijkheden van de Hubble Space Telescope. De allereerste sterrenstelsels hebben hun licht zo ver in het infrarood geplaatst door de uitbreiding van de ruimte dat Hubble ze niet kan zien. Dit zal allemaal veranderen in 2018 wanneer de opvolger van Hubble, de James Webb Space Telescope, in 2018 wordt gelanceerd. Met een grotere spiegel en meer gevoelige camera's die verder in het infrarood kunnen kijken, stelt Webb ons in staat om nog verder in het verleden te kijken en bekijk nog zwakkere sterrenstelsels. Door Webb op sterrenstelsels te richten en gravitatielens in ons voordeel te gebruiken, kunnen we die grenzen nog verder verleggen.
In slechts een paar jaar kijken we misschien naar de allereerste sterrenstelsels die ooit zijn gevormd.
