Międzynarodowa grupa astronomów używajac należącego do National Science Foundation radioteleskopu Very Long Baseline Array (VLBA) oraz teleskopu Hubble’a, odkryła pierwszą soczewkę grawitacyjną w której pojedynczy obraz bardzo odległej galaktyki rozbity został na sześć różnych obrazów. Ta unikalna konfiguracja powstała w wyniku efektu grawitacyjnego spowodowanego przez trzy galaktyki położone na linii wzroku między odleglą galaktyką a Ziemią.
„To pierwsza soczewka grawitacyjna, dająca więcej niż cztery obrazy odleglego obiektu, wytworzona przez grupę małych obiektów, a nie ogromną gromadę galaktyk” – powiedział David Rusin z Uniwersytetu w Pensylwanii. „Takie systemy są bardzo rzadkie, wiec to odkrycie jest kamieniem milowym. Ponieważ jest to przypadek pośredni pomiędzy grawitacyjnymi soczewkami wytwarzanymi przez pojedynczą galaktykę a wytwarzanymi przez gromadę galaktyk, da nam to nowe spojrzenie, jakim nie dysponujemy na podstawie innych typów soczewek” – dodał.
Soczewka grawitacyjna, zwana CLASS B1359+154 skłąda się z galaktyki odległej o ponad 11 miliardów lat świetlnych, znajdującej się w gwiazdozbiorze Wolarza, oraz z układu trzech galaktyk, odległych o ponad 7 miliardów lat świetlnych i położonych na tej samej linii. Bardziej odległa galaktyka prezentuje cechy wskazujące na to, że zawiera masywną czarną dziurę w jądrze, oraz że zawiera regiony, w których formują się nowe gwiazdy. Efekt soczewkowania grawitacyjnego powoduje, że światło i fale radiowe z pojedynczej, odległej galaktyki, uginają się formując sześć obrazów widzianych z Ziemi. Cztery z tych obrazów pojawiają się na zewnątrz trójkąta utworzonego przez trzy średnioodległe galaktyki, a dwa wewnątrz tego trójkąta.
„Ten system soczewek jest bardzo ciekawym przypadkiem do badań, ponieważ jest bardziej złożony niż soczewki wytworzone przez pojedynczą galaktykę, ale jednak prostszy, niż soczewki wytworzone przez gromady licznych galaktyk” – powiedział Chris Kochanek z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). „Kiedy zrozumiemy ten system, będziemy mieli o wiele jaśniejszy obraz tego, jak galaktyki zmieniają swoje cechy stanowiąc część większej gromady galaktyk” – dodał.
Układ B1359+154 został odkryty w 1999 roku przez Cosmic Lens All-Sky Survey, międzynarodową grupę astronomów używających radioteleskopów do przeszukiwania nieba w poszukiwaniu soczewek grawitacyjnych. Obrazy zrobione przez Very Large Baseline Array w Nowym Meksyku i brytyjski radioteleskop MERLIN, ukazały sześć obiektów, które podejrzewano, że powstały w wyniku efektu soczewkowania grawitacyjnego, ale rezultaty nie były w pełni przekonywujące. Rusin i jego grupa użyli VLBA i teleskopu Hubble’a w 1999 i 2000 roku, aby bardziej szczegółowo zbadać B1359+154. Nowe dane przekonały astronomów, że B1359+154 rzeczywiście składa się z sześciu obrazów tej samej galaktyki w tle. Obrazy wykonane przy pomocy VLBA zostały uzyskane na częstotliwości 1.7 GHz.
„To wielki przykład współczesnej astronomii, wykorzystującej badania na wielu zakresach fali” – powiedział Rusin. – „Po pierwsze potrzebujemy radioteleskopu do odkrycia soczewek grawitacyjnych, potem potrzebujemy informacji w świetle widzialnym z Hubble’a, aby poznać dodatkowe szczegóły struktury systemu„
Uzbrojeni w połączone dane z VLBA i teleskopu Hubble’a określające pozycję i jasność tych sześciu obrazów odległej galaktyki oraz pozycję trzech pośrednich galaktyk, astronomowie wykonali symulację komputrerową, aby pokazać jak grawitacja trzech galaktyk może wytworzyć efekt soczewki. Udało się stworzyć komputerowy model systemu, który w rzeczywistości produkuje sześć obrazów widzianych w B1359+154.
„Nasz model komputerowy oczywiście nie jest doskonały i musimy zrobić więcej obserwacji systemu by go dopracować, ale możemy łatwo zademonstrować jak trzy galaktyki, które widzimy, mogą wyprodukować sześć obrazów” – powiedział Martin Norbury z Jodrell Bank Observatory w Wielkiej Brytanii. – „Sądzimy że ta praca dostarczy nam doskonałego narzędzia do studiowania bardziej gęstych gromad galaktyk i związków między pojedynczymi gromadami, galaktyką, a halo ciemnej materii w której są zanurzone.”
Gromady galaktyk mogą produkować soczewki grawitacyjne dające do ośmiu obrazów jednego obiektu w tle. Jednakże liczba galaktyk w takiej gromadzie utrudnia astronomom opisanie jak efekty grawitacyjne złożyły się na to, by utworzyć zwielokrotniony obraz. Badacze mają nadzieję zrozumieć efekt soczewkowania na tyle, aby móc zobaczyć przy użyciu soczewek jak galaktyki, gaz i niewidzialna materia są rozmieszczone w gromadzie. System taki jak B1359+154, w którym są tylko trzy galaktyki związane z efektem soczewkowania, może pomóc astronomom nauczyć się jak działają złożone soczewki grawitacyjne.
„Kolejnym wielkim krokiem jest użycie Hubble’a aby zobaczyc cechy pierścieni wyprodukowanych przez galaktyki otaczające czarną dziurę. Już mamy ich ślady, ale wraz z ulepszeniami na HST podczas następnej misji będziemy mogli śledzić je dokładnie, poznać strukturę soczewki i mieć bardzo dokładny obraz do badań” – powiedział Kochanek.
Poza Rusinem, Kochanekiem i Norburym, inni badacze to: Emilio Falco z CfA, Chris Impey ze Steward Observatory przy Uniwersytecie w Arizonie, Joseph Lehar z CfA, Brian McLeod z CfA, Hans-Walter Rix z Max Planck Institute for Astronomy w Niemczech, Chuck Keeton ze Steward Observatory, Jose Munoz z Astrophysical Institute of the Canaries na Teneryfie (Hiszpania) i Chien Peng ze Steward Observatory. Grupa publikuje swoje rezultaty na łamach Astrophysical Journal.
VLBA jest systemem 10 anten radioteleskopów, które współpracują ze sobą tworząc jeden astronomiczny instrument. Anteny są rozmieszczone w całych Stanach Zjednoczonych, od Hawajów na zachodzie do Virgin Islands na wschodzie. Jako system radioteleskopowy ciągnący sie na przestrzeni 8000 kilometrów, VLBA dostarcza bardzo dokładnych obrazów.
