לפני מאה שנה הציג אלברט איינשטיין דרך חשיבה רדיקלית חדשה על כוח הכובד. תיאוריית היחסות הכללית שלו הציבה כי המרחב אינו זירה ריקה בה אירועי היקום מתגלגלים - אלא משתתף פעיל באירועים אלו.
על פי תורת היחסות הכללית, כל דבר שיש בו מסה - כוכב, כוכב לכת, לוטרה - מעוות את החלל סביבו וגורם לו להתעקם. החומר מתעקם את החלל, והעקמומיות הזו מספרת עניין אחר כיצד לזוז. אנו, בני האדם, אינם מצוידים לדמיין חלל תלת ממדי מעוקל, אז הנה אנלוגיה דו מימדית: אם מונח כדור כבד על טרמפולינה, פני הטרמפולינה יתכופפו. אם תגלגל גולות על פני הטרמפולינה, דרכיהם יהיו מפותלות. זה אנלוגיה לא מושלמת, אבל מעביר את הרעיון הכללי. עיקרון זה הוא הסיבה לכך שכדור הארץ עוקב אחר מסלול מעוקל סביב השמש והירח עוקב אחר מסלול מפותל סביב כדור הארץ.
מאפיין עיקרי בתורת היחסות הכללית הוא שעקמומיות החלל משפיעה על דרך האור כמו גם על החומר. השפעה זו מכונה "עדשת כבידה". מסתבר שהיא שונה לדרך בה אור מתנהג תחת כוח הכבידה הניוטוני, ולכן שימוש מיידי בעדשות כבידה הוא לבחון האם היחסות הכללית היא אמיתית. זה מתברר כשימושי ביותר ללימוד פינות היקום הרחוקות ביותר, מכיוון שהוא גורם להגדלת תמונות הגלקסיות הרחוקות.
כיצד פועלת עדשות כבידה? אם אור הנוסע אלינו מכוכב מרוחק כלשהו עובר ליד עצם מסיבי אחר - נניח, כוכב או גלקסיה אחרת - האור הזה מתרוקן, ודרכו משתנה. כאשר האור הזה מגיע לכדור הארץ, נראה שהוא מגיע מכיוון אחר מאשר מסלולו המקורי. אנו רואים שהכוכב נמצא במיקום אחר בשמיים מאשר איפה שהוא ממוקם. התנועה לכאורה זו של כוכב הרקע היא כפולה בדיוק ממה שהיית רואה בכוח המשיכה הניוטוני; מכאן שהיא מספקת דרך פשוטה לבחון את התיאוריה של איינשטיין.
כדי למדוד עד כמה דימויו של כוכב זז, אתה צריך להיות מסוגל להתבונן בו גם לפני וגם אחרי שאורו מוסווה על ידי המסה המתערבת. בדרך כלל אין לנו אפשרות להתרחק מספיק מכדור הארץ כדי לראות כוכבים רחוקים משתי זוויות שונות, אך אנו יכולים לנצל את העובדה שאנחנו מסתובבים סביב השמש.
אם אנו צופים בכוכב בחלק הנגדי של השמיים מהשמש, אנו רואים את מיקומו ה"אמיתי ". כעבור חצי שנה הכוכב יהיה באותו חלק בשמיים כמו השמש, ואז נוכל למדוד עד כמה אור הכוכב מוסה על ידי מסת השמש. בדרך כלל איננו יכולים להתבונן בכוכבים כשהם קרובים לשמש מכיוון שזו שעות היום כשהשמש קמה. אבל בנסיבות מסוימות אנו יכולים. יש פעם אחת שהשמש זורחת, אבל אור השמש חסום: ליקוי חמה מוחלט.
במאי 1919, אסטרונומים זכו להציץ ליקוי חמה שנגלה מחלקים מאפריקה וגם מדרום אמריקה. כדי למקסם את הסיכוי להתבונן בליקוי החמה בהצלחה, שני צוותים הועברו לתצפית עליו: אחד לברזיל ואחד, בהובלת סר ארתור אדינגטון, לאי פרינסיפה מול חופי מערב אפריקה. למרות כיסוי ענן חלקי, הצוות של אדינגטון הצליח. הסטיית האור שמדדו מהכוכבים באשכול היאדס תואמת את התיאוריה של איינשטיין בצורה מושלמת.
במהלך ליקוי החמה הכולל ב- 29 במאי 1919, סר ארתור אדינגטון (מימין) אישר את תורת היחסות הכללית של איינשטיין על ידי חישוב הסטה של אור הכוכבים ליד השמש. (AKG) הגילוי הזה היה משמעותי. "אורות כולם נוהגים לבחון את הגן. מאמרי תיאוריה של איינשטיין", הכריזו הניו יורק טיימס. (היא הוסיפה: "אנשי מדע פחות או יותר קשורים לתוצאות של תצפיות ליקוי חמה.") האישור סיפק רגע אחדות בעולם שנקרע על ידי מלחמה; כפי שצוין על ידי הפיזיקאי ג'יי.פי מקווי בספרו ליקוי חמה ב -1999, "תיאוריה חדשה של היקום, פרידתו של יהודי גרמני העובד בברלין, אושרה על ידי קוואקר אנגלי באי אפריקני קטן."
רק ב -1936 הבין אסטרונום שוויצרי בשם פריץ צוויקי את הפוטנציאל של עדשת הכבידה ככלי לחקר היקום שמעבר לשכונת הכוכבים שלנו. כשמחשבים את המוני אשכולות הגלקסיות - הידועים באותה תקופה כערפיליות אקסטרגלאקטיות - צויקי ציין כי יש סיכוי טוב שגלקסיות רחוקות יותר שנמצאות מאחוריהן היו מאורות את אורם כשעבר את האשכולות הללו. בשנת 1937 הוא כתב כי השפעה זו "תאפשר לנו לראות ערפיליות במרחקים גדולים מאלה שאליהם מגיעים אפילו הטלסקופים הגדולים ביותר."
המפתח למושג זה הוא תכונה של עדשות כבידה המועילה אותו להפליא: אור שאחרת היה מופנה מאיתנו מופנה לכיוון שלנו, כלומר אנו רואים יותר אור ממקורות העדשות ממה שהיינו רגילים. במילים אחרות, גלקסיות רחוקות שבמקרה מונחות מאחורי עצמים מאסיביים מוגדלות. ומכיוון שצבירי גלקסיות הם המבנים המסיביים ביותר ביקום, הם כוסות המגדלת הטובות ביותר שיש לטבע להציע.
במשך כמעט 50 שנה, הצעתו של צוויקי זכתה לתשומת לב מועטה. ככל הנראה, הגלקסיות העדכניות עם העדשות היו קלושות מכדי להיראות. זה השתנה בשנות השמונים, כשפיתוח מכשירי ההדמיה הדיגיטליים הראשונים החליף צלחות צילום והגדיל באופן דרמטי את הרגישות של הטלסקופים למקורות קלושים.
בשנת 1986 התגלה קשת מורחבת דרמטית באשכול הגלקסיה אבל 370. הקשת האדומה והארוכה בתמונה זו התבררה כמרוחקת פי שניים מאשר האשכול עצמו: זוהי גלקסית רקע - ספירלה דומה לשביל החלב - שאורו התעוות על ידי מסת האשכול והמתח אותו לקשת העצומה הזו. עשור לאחר מכן, גלקסיה אחרת עם עדשות שברה את השיא של האובייקט הרחוק ביותר הידוע, הפעם הראשונה מאז שנות השישים של המאה הקודמת כי גלקסיה רגילה - לא קוואזר, האובייקטים המבריקים ביקום - החזיקה באותה שיא.
דימוי טלסקופ החלל האבל בעל חשיפה ארוכה זו של אשכול הגלקסיה המסיבי Abell 2744 (חזית) הוא העמוק ביותר שנעשה אי פעם מכל אשכול גלקסיות. (NASA / ESA) בשנת 2009, השקת טלסקופ החלל האבל (HST) סיפקה את התמונות הרגישות ביותר שהושגו אי פעם מהיקום הרחוק, ומשימת השירות הסופית שלה הוסיפה מצלמה כמעט רגישה כמעט-אינפרא אדום. נכון לעכשיו עם האבל נמצאת תוכנית חדשה שמבטיחה לדחוק את גבולות מבטנו ליקום עוד יותר: תוכנית Hubble Frontier Fields.
הרעיון שעומד מאחורי תוכנית זו הוא לערוך תצפיות עמוקות להפליא החושפות את הגלקסיות הקלושות והמרוחקות ביותר - אך מכוונות אסטרטגיות לאשכולות גלקסיות כדי ליהנות מההשפעה המגדילה של עדשת הכבידה. התוכנית תכסה שישה אשכולות גלקסיים מסיביים בסך הכל, חמישה מהם הושלמו עד כה. המדען הראשי בפרויקט Frontier Fields, ג'ן לוטז, תיאר זאת כ"התצוגה העמוקה ביותר של היקום שנצבר אי פעם ".
"שדות הגבול הוא ניסוי", אומר מאט מאונט, נשיא התאחדות האוניברסיטאות למחקר באסטרונומיה (AURA) ומנהל לשעבר של המכון למדע טלסקופ החלל המפעיל את האבל. שאלת הליבה של הניסוי: "האם נוכל להשתמש באיכות התמונה המעודנת של האבל ובתורת היחסות הכללית של איינשטיין כדי לחפש את הגלקסיות הראשונות?"
ניתוח ראשוני של שדות הגבול הראשונים כבר החל להניב שפע של תובנות ביקום המוקדם. הרחק מאחורי האשכול הראשון, אבל 2744, מצאנו תמונות מוגדלות של קבוצת גלקסיות ביקום המוקדם - רק כמה מאות מיליון שנה לאחר המפץ הגדול - שעשויות להיות בתהליך יצירת אשכול משלהן.
עיון מדוקדק בתמונות שדות Frontier מגלה גלקסיות שהוגדלו פי 50 או יותר על ידי עדשות כבידה. אלה כמה מהגלקסיות הקלשות ביותר שנראו אי פעם ביקום הקדום. הקטן שבהם יהפוך למשהו כמו הגמד של Fornax, גלקסיה זעירה המקיפה את שביל החלב ונמצאת בערך אלף מהמסה שלה. למרות שזה זעיר בסטנדרטים גלקסיים, אנו לומדים משדות הגבול שהיו מספר עצום של גלקסיות קטנות ביקום המוקדם. כל כך הרבה, למעשה, שביחד הם עשויים להיות אחראיים לרוב האנרגיה במיליארד השנים הראשונות של היקום.
הגבול של כמה רחוק אל העבר שאנו יכולים לראות נקבע על ידי היכולות של טלסקופ החלל האבל. לאור הגלקסיות הראשונות האור שלהם עבר עד כה לאינפרא אדום על ידי התרחבות החלל שהאבל לא יכול לראות אותן. כל זה ישתנה בשנת 2018 כאשר יורשו של האבל, טלסקופ החלל ג'יימס ווב, ישיק בשנת 2018. עם מראה גדולה יותר ומצלמות רגישות יותר שיכולות לראות עוד יותר את האינפרא אדום, ווב יאפשר לנו להציץ עוד יותר אל העבר, צפו אפילו בגלקסיות חלשות יותר. על ידי הפניית ווב לאשכולות גלקסיות והפעלת עדשות כבידה לטובתנו, אנו יכולים לדחוק את הגבולות הללו עוד יותר.
בעוד כמה שנים אנו עשויים לבחון את הגלקסיות הראשונות ביותר שהיוו.
