Staren in het universum is als kijken in een funhouse-spiegel. Dat komt omdat de zwaartekracht het weefsel van de ruimte vervormt, optische illusies creëren.

Veel van deze optische illusies verschijnen wanneer het licht van een ver sterrenstelsel wordt vergroot, uitgerekt, en helderder wanneer het door een enorm melkwegstelsel of melkwegcluster ervoor gaat. Dit fenomeen, zwaartekrachtlensing genoemd, produceert meerdere, uitgerekt, en helderdere beelden van de achtergrondmelkweg.

Dit fenomeen stelt astronomen in staat om sterrenstelsels te bestuderen die zo ver weg zijn dat ze niet anders kunnen worden gezien dan door de effecten van zwaartekrachtlenzen. De uitdaging is om te proberen de verre sterrenstelsels te reconstrueren op basis van de vreemde vormen die door lenzen worden geproduceerd.

Maar astronomen die de Hubble-ruimtetelescoop gebruikten, stuitten op zo'n vreemde vorm tijdens het analyseren van quasars, de brandende kernen van actieve sterrenstelsels. Ze zagen twee heldere, lineaire objecten die spiegelbeelden van elkaar leken te zijn. Een ander excentriek object was in de buurt.

De kenmerken brachten de astronomen zo in de war dat het enkele jaren kostte om het mysterie te ontrafelen. Met de hulp van twee experts op het gebied van zwaartekrachtlenzen, de onderzoekers stelden vast dat de drie objecten de vervormde beelden waren van een verre, onontdekte melkweg. Maar de grootste verrassing was dat de lineaire objecten exacte kopieën van elkaar waren, een zeldzame gebeurtenis die wordt veroorzaakt door de precieze uitlijning van het achtergrondstelsel en het lenscluster op de voorgrond.

Astronomen hebben een aantal behoorlijk vreemde dingen gezien verspreid over ons enorme universum, van exploderende sterren tot botsende sterrenstelsels. Dus, je zou denken dat als ze een vreemd hemellichaam zien, zij zouden het kunnen identificeren.

Maar NASA's Hubble-ruimtetelescoop ontdekte wat lijkt op een paar identieke objecten die er zo raar uitzien dat astronomen er enkele jaren over deden om te bepalen wat ze zijn.

"We waren echt stomverbaasd, " zei astronoom Timothy Hamilton van de Shawnee State University in Portsmouth, Ohio.

De excentrieke objecten bestaan ​​uit een paar uitstulpingen van sterrenstelsels (het centrale met sterren gevulde centrum van een sterrenstelsel) en ten minste drie bijna evenwijdige gespleten strepen. Hamilton zag ze per ongeluk terwijl hij Hubble gebruikte om een ​​verzameling quasars te onderzoeken. de brandende kernen van actieve sterrenstelsels.

Na het achtervolgen van doodlopende theorieën, hulp vragen aan collega's, en veel hoofd krabben, Hamilton en het groeiende team, geleid door Richard Griffiths van de Universiteit van Hawaï in Hilo, eindelijk alle aanwijzingen bij elkaar om het mysterie op te lossen.

De lineaire objecten waren de uitgerekte beelden van een ver sterrenstelsel met gravitatielenzen, op meer dan 11 miljard lichtjaar afstand. En, ze leken spiegelbeelden van elkaar te zijn.

Het team ontdekte dat de immense zwaartekracht van een tussenkomst, en ongecatalogiseerd, cluster van sterrenstelsels op de voorgrond kromde de ruimte, vergroten, verhelderend, en het beeld uitrekken van een verre melkweg erachter, een fenomeen dat zwaartekrachtlensvorming wordt genoemd. Hoewel Hubble-onderzoeken veel van deze funhouse-spiegelvervormingen onthullen, veroorzaakt door zwaartekrachtlenzen, dit object was uniek verbijsterend.

In dit geval, een nauwkeurige uitlijning tussen een achtergrondmelkwegstelsel en een voorgrondcluster van melkwegstelsels produceert twee vergrote kopieën van hetzelfde beeld van het afgelegen melkwegstelsel. Dit zeldzame fenomeen doet zich voor omdat het sterrenstelsel op de achtergrond een rimpeling in het weefsel van de ruimte vormt. Deze "rimpeling" is een gebied met de grootste vergroting, veroorzaakt door de zwaartekracht van dichte hoeveelheden donkere materie, de onzichtbare lijm die het grootste deel van de massa van het universum vormt. Terwijl licht van het verre sterrenstelsel langs deze rimpeling door de cluster gaat, er ontstaan ​​twee spiegelbeelden, samen met een derde afbeelding die aan de zijkant kan worden gezien.

Griffiths vergelijkt dit effect met de heldere golvende patronen op de bodem van een zwembad. "Denk aan het golvende oppervlak van een zwembad op een zonnige dag, met patronen van fel licht op de bodem van het zwembad, " legde hij uit. "Deze heldere patronen op de bodem worden veroorzaakt door een soortgelijk effect als zwaartekrachtlensvorming. De rimpelingen op het oppervlak fungeren als gedeeltelijke lenzen en bundelen zonlicht in heldere kronkelende patronen op de bodem."

In het verre melkwegstelsel met zwaartekrachtlenzen, de rimpeling vergroot en vervormt enorm het licht van het achtergrondstelsel dat door de cluster gaat. De rimpel werkt als een onvolmaakte ronde spiegel die de dubbele kopieën genereert.

Het mysterie oplossen

Maar dit zeldzame fenomeen was niet zo bekend toen Hamilton in 2013 de vreemde lineaire kenmerken ontdekte.

Terwijl hij door de quasarbeelden keek, de momentopname van de gespiegelde beelden en parallelle strepen viel op. Hamilton had nog nooit zoiets gezien, en geen van beide had andere teamleden.

"Mijn eerste gedachte was dat ze misschien in wisselwerking stonden met sterrenstelsels met getijde uitgestrekte armen, Hamilton zei. "Het paste niet echt goed, maar ik wist niet wat ik anders moest denken."

Dus begonnen Hamilton en het team aan hun zoektocht om het mysterie van deze verleidelijke rechte lijnen op te lossen. later noemde Hamilton's Object voor zijn ontdekker. Ze toonden het vreemde beeld aan collega's op astronomieconferenties, die verschillende reacties uitlokte, van kosmische snaren tot planetaire nevels.

Maar dan Griffiths, die geen lid was van het oorspronkelijke team, bood de meest plausibele verklaring toen Hamilton hem het beeld liet zien tijdens een NASA-bijeenkomst in 2015. Het was een vergroot en vervormd beeld veroorzaakt door een lensverschijnsel vergelijkbaar met die gezien in Hubble-beelden van andere massieve clusters van melkwegstelsels die beelden van zeer verre sterrenstelsels versterken . Griffiths bevestigde dit idee toen hij hoorde van een soortgelijk lineair object in een van Hubble's deep-cluster surveys.

De onderzoekers, echter, nog een probleem gehad. Ze konden het lenscluster niet identificeren. Normaal gesproken, astronomen die clusters van sterrenstelsels bestuderen, zien eerst de cluster op de voorgrond die de lensvorming veroorzaakt, en zoek vervolgens de vergrote afbeeldingen van verre sterrenstelsels binnen de cluster. Een zoektocht naar de Sloan Digital Sky Survey-afbeeldingen onthulde dat een cluster van sterrenstelsels zich in hetzelfde gebied bevond als de vergrote afbeeldingen, maar het kwam niet voor in een gecatalogiseerd onderzoek. Hoe dan ook, het feit dat de vreemde beelden zich in het midden van een cluster bevonden, maakte het voor Griffiths duidelijk dat de cluster de beelden met lenzen produceerde.

De volgende stap van de onderzoekers was om te bepalen of de drie lenzen op dezelfde afstand waren, en daarom waren alle vervormde portretten van hetzelfde verre melkwegstelsel. Spectroscopische metingen met de sterrenwachten Gemini en W. M. Keck op Hawaï hielpen de onderzoekers om die bevestiging te maken, waaruit blijkt dat de lenzen met lenzen afkomstig waren van een melkwegstelsel dat zich op meer dan 11 miljard lichtjaar afstand bevindt.

De afgelegen melkweg, gebaseerd op een reconstructie van het derde lensbeeld, lijkt een randvoorwaarde, balkspiraal met doorlopende, klonterige stervorming.

Rond dezelfde tijd als de spectroscopische waarnemingen door Griffiths en studenten in Hilo, een aparte groep onderzoekers in Chicago identificeerde het cluster en mat de afstand met behulp van Sloan-gegevens. De cluster bevindt zich op meer dan 7 miljard lichtjaar afstand.

Maar, met zeer weinig informatie over het cluster, Het team van Griffiths worstelde nog steeds met het interpreteren van deze ongebruikelijke lensvormen. "Deze zwaartekrachtlens is heel anders dan de meeste lenzen die eerder door Hubble werden bestudeerd, met name in het Hubble Frontier Fields-onderzoek naar clusters, Griffiths legde uit. "Je hoeft niet lang naar die clusters te staren om veel lenzen te vinden. In dit voorwerp, dit is de enige lens die we hebben. En we wisten eerst niet eens van het cluster."

Het onzichtbare in kaart brengen

Toen belde Griffiths een expert op het gebied van zwaartekrachtlenstheorie, Jenny Wagner van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland. Wagner had soortgelijke objecten bestudeerd, en met collega Nicolas Tessore, nu aan de Universiteit van Manchester in Engeland, ontwikkelde computersoftware voor het interpreteren van unieke lenzen zoals deze. Hun software hielp het team erachter te komen hoe alle drie de lenzen tot stand kwamen. Ze kwamen tot de conclusie dat de donkere materie rond de uitgerekte beelden "soepel" op kleine schaal in de ruimte moest worden verdeeld.

"Het is geweldig dat we maar twee spiegelbeelden nodig hebben om te zien hoe klonterig of niet donkere materie op deze posities kan zijn, "zei Wagner. "Hier, we gebruiken geen lensmodellen. We nemen alleen de waarneembare dingen van de meerdere afbeeldingen en het feit dat ze in elkaar kunnen worden omgezet. Ze kunnen volgens onze methode in elkaar worden gevouwen. Dit geeft ons al een idee van hoe glad de donkere materie op deze twee posities moet zijn."

Dit resultaat is belangrijk, Griffiths zei, omdat astronomen nog steeds niet weten wat donkere materie is, bijna een eeuw na zijn ontdekking. "We weten dat het een vorm van materie is, maar we hebben geen idee wat het samenstellende deeltje is. Dus we weten helemaal niet hoe het zich gedraagt. We weten alleen dat het massa heeft en onderhevig is aan de zwaartekracht. De betekenis van de limieten van grootte op de klontering of gladheid is dat het ons enkele aanwijzingen geeft over wat het deeltje zou kunnen zijn. Hoe kleiner de donkere materie klontert, hoe massiever de deeltjes moeten zijn."