Μια σπουδαία αστρονομική ανακάλυψη φέρνει στο φως τη δύναμη των σύγχρονων διαστημικών παρατηρήσεων και την αξία των δημόσια διαθέσιμων επιστημονικών δεδομένων. Αναλύοντας εικόνες από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb, οι ερευνητές κατάφεραν να εντοπίσουν ένα εντυπωσιακό φαινόμενο που μέχρι πρότινος παρέμενε αόρατο.
Ένας άγνωστος μέχρι σήμερα υποψήφιος κοσμικός βαρυτικός φακός ήρθε στο φως, σε μια απρόσμενη ανακάλυψη που έγινε κατά τη διάρκεια έρευνας σε δημόσια διαθέσιμες παρατηρήσεις του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb.
Σύμφωνα με λεπτομέρειες που παρουσιάζονται σε νέα επιστημονική προδημοσίευση στον ιστότοπο arXiv.org, ο ερευνητής Homer Dávila Gutiérrez αναφέρει τον εντοπισμό ενός βαρυτικού τόξου που δεν είχε καταγραφεί ποτέ στο παρελθόν.
Πρόκειται για ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν το φως από ένα μακρινό ουράνιο σώμα παραμορφώνεται δραματικά και μεγεθύνεται από τη βαρύτητα ενός άλλου, εξαιρετικά μαζικού αντικειμένου, το οποίο βρίσκεται πιο κοντά και παρεμβάλλεται ανάμεσα σε αυτό και τη Γη.
Ο νέος υποψήφιος, ο οποίος έλαβε την ονομασία A1, εντοπίστηκε σε παρατηρήσεις της κάμερας NIRCam του JWST στο γαλαξιακό σμήνος MACS J0308.9+2645, ένα κολοσσιαίο σμήνος γαλαξιών με μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) z = 0,356.
Σύμφωνα με τον Gutiérrez, η ανακάλυψη έγινε κατά τη διάρκεια μιας συστηματικής αναζήτησης για επιμήκη κοσμικά αντικείμενα, των οποίων ο προσανατολισμός και η θέση υποδήλωναν ότι θα μπορούσαν να είναι προϊόντα βαρυτικού φακού.
Η καμπύλωση του χωροχρόνου ανάμεσα σε πηγές και παρατηρητές
Το φαινόμενο, το οποίο είχε προβλεφθεί από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και είναι γνωστό ως βαρυτικός φακός, συμβαίνει όταν τεράστια αντικείμενα στο διάστημα παραμορφώνουν τον χωροχρόνο γύρω τους.
Η διαδικασία αυτή μοιάζει αρκετά με τον τρόπο που τροποποιείται το φως όταν περνά μέσα από έναν κοίλο φακό, ο οποίος κάμπτει τις παράλληλες ακτίνες φωτός προς τα έξω, αναγκάζοντάς τις να απομακρυνθούν η μία από την άλλη.
Όταν εμφανίζεται το φαινόμενο του βαρυτικού φακού, η κολοσσιαία μάζα που ασκούν τα ουράνια σώματα τα οποία βρίσκονται πιο κοντά στη Γη παραμορφώνει το φως που έρχεται από πιο μακρινά αντικείμενα, όπως οι γαλαξίες που είναι τοποθετημένοι πίσω τους.
Αυτό επιτρέπει στους αστρονόμους να παρατηρήσουν μια παραμορφωμένη εκδοχή αυτών των σωμάτων.
Το συγκεκριμένο φαινόμενο δημιουργεί μια σειρά από εντυπωσιακά χαρακτηριστικά, στα οποία περιλαμβάνονται οι δακτύλιοι του Αϊνστάιν, οι σταυροί του Αϊνστάιν και τα βαρυτικά τόξα.
Στην περίπτωση του Α1, το αντικείμενο αυτό εμφανίζεται εντυπωσιακά επιμήκες, καλύπτοντας μια έκταση περίπου 5,1 δευτερολέπτων τόξου (arcseconds), με αναλογία μήκους προς πλάτος περίπου 6,5.
Το χαρακτηριστικό αυτό βρίσκεται σε απόσταση περίπου 51 δευτερολέπτων τόξου από το κέντρο εκπομπής ακτίνων Χ του σμήνους MACS J0308.9+2645 και είναι εφαπτομενικά ευθυγραμμισμένο με το αντίστοιχο σμήνος, ακριβώς όπως θα περίμεναν οι αστρονόμοι για ένα βαρυτικό τόξο.
Κοσμική ψευδαίσθηση: Ο γαλαξίας που «ξεγέλασε» τους αστρονόμους
Για να ανακαλύψει αυτό το μοναδικό υποψήφιο βαρυτικό τόξο, ο Gutiérrez χρειάστηκε να κοσκινίσει 54 δημόσια διαθέσιμα πεδία παρατήρησης της κάμερας NIRCam του JWST, τα οποία περιλάμβαναν συνολικά 1.591 πιθανές πηγές.
Με βάση την προκαταρκτική φωτομετρική ανάλυση, προέκυψε μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα πιθανότητα: Η ύπαρξη μιας μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift) περίπου z = 4,4, γεγονός που θα μπορούσε να τοποθετήσει τον γαλαξία μέσα στα πρώτα 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια της κοσμικής ιστορίας.
Ωστόσο, η κατάσταση περιπλέχθηκε από το γεγονός ότι η φωτομετρία του καταλόγου που χρησιμοποιήθηκε για την αρχική εκτίμηση είχε σχεδιαστεί κυρίως για σημειακές (μη αναλυόμενες) πηγές και όχι για εκτεταμένες δομές όπως το Α1.
Καθώς τα διαφράγματα μέτρησης κατάφεραν να αποτύπωσαν μόνο ένα μικρό κλάσμα του συνολικού φωτός που εξέπεμπε αυτό το υποψήφιο βαρυτικό τόξο —ενώ παράλληλα άλλαζαν μέγεθος σε διαφορετικά μήκη κύματος— το αποτέλεσμα ήταν ένα φαινόμενο που έκανε τον γαλαξία να φαίνεται σημαντικά πιο κόκκινος απ’ ό,τι είναι στην πραγματικότητα.
Το στοιχείο αυτό ήταν ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς αυτή η επιφανειακή χρώση σήμαινε ότι το αντικείμενο μπορούσε να εμφανίζεται πολύ πιο μακρινό από την πραγματική του θέση.
Για να αξιολογήσει σωστά την κατάσταση, ο Gutiérrez εφάρμοσε αρκετές μεθόδους που ταιριάζουν καλύτερα σε εκτεταμένα αντικείμενα.
Οι μέθοδοι αυτές, σε συνδυασμό με παλαιότερες αρχειακές παρατηρήσεις από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, αποκάλυψαν μια «διορθωμένη» μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) περίπου z = 1,4, με πιθανό εύρος μεταξύ 1,2 και 1,7.
Επιπλέον, ο εντοπισμός του αντικειμένου μέσω του φίλτρου F435W του Hubble παρείχε πρόσθετες αποδείξεις ενάντια στην αρχική εκτίμηση του z = 4,4.
Σε μια τέτοια απόσταση, ένας γαλαξίας θα έπρεπε ουσιαστικά να εξαφανίζεται στα συγκεκριμένα μήκη κύματος, εξαιτίας της απορρόφησης που σχετίζεται με το λεγόμενο όριο Lyman.
Κοσμικός μεγεθυντικός φακός: Φέρνοντας το βαθύ διάστημα πιο κοντά
Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις ανάμεσα στο Α1 και σε υπάρχοντα μοντέλα του βαρυτικού πεδίου που παράγει το σμήνος MACS J0308.9+2645.
Οι συγκρίσεις έδειξαν ότι, με μια μετατόπιση προς το ερυθρό περίπου z = 1,4, το Α1 είναι πολύ πιθανό να βρίσκεται κοντά στην κρίσιμη καμπύλη του σμήνους.
Η θέση αυτή το τοποθετεί σε μια περιοχή όπου το φαινόμενο του βαρυτικού φακού μπορεί να επιμηκύνει έντονα τον γαλαξία, χωρίς ωστόσο να δημιουργεί απαραίτητα επιπλέον ορατά είδωλά του.
Είναι αξιοσημείωτο ότι, αν το Α1 βρισκόταν πράγματι σε μετατόπιση προς το ερυθρό z = 4,4, θα έπρεπε να έχει δημιουργηθεί και ένα δεύτερο είδωλό του λόγω του βαρυτικού φακού —ωστόσο, δεν εντοπίστηκε καμία επιπλέον τέτοια «αντανάκλαση».
«Η πιο πιθανή ερμηνεία», γράφει ο Gutiérrez, «είναι ένας γαλαξίας με μονό είδωλο στο z ≈ 1,4 πίσω από το σμήνος».
Επιπλέον, το τόξο παρουσιάζει μια κοίλη καμπυλότητα με κατεύθυνση προς το κέντρο του σμήνους, με ακτίνα καμπυλότητας που ισοδυναμεί με περίπου 19 δευτερόλεπτα τόξου, αν και «η στατιστική του σημασία είναι οριακή και εξαρτάται από τη μέθοδο, όταν ληφθεί σωστά υπόψη ο συσχετισμένος θόρυβος», προσθέτει ο Gutiérrez.
Συνολικά, όλα τα στοιχεία συγκλίνουν στο γεγονός ότι το Α1 είναι πράγματι, κατά πάσα πιθανότητα, ένας πιο κοντινός γαλαξίας, του οποίου η εμφάνιση έχει παραμορφωθεί σημαντικά από το τεράστιο σμήνος που βρίσκεται ανάμεσα σε αυτόν και τη Γη.
Πέρα όμως από τον εντοπισμό ενός ακόμη υποψήφιου βαρυτικού τόξου, η ανακάλυψη αυτή αναδεικνύει και τις εξαιρετικές επιστημονικές δυνατότητες που παραμένουν αναξιοποίητες μέσα στο διαρκώς αναπτυσσόμενο αρχείο των αστρονομικών παρατηρήσεων, στον ήδη τεράστιο όγκο δεδομένων που έχει συλλέξει το Webb.
Η πρόσφατη εργασία του Gutiérrez αποδεικνύει επίσης ότι πλήθος επιπλέον ανακαλύψεων περιμένει να έρθει στο φως, αρκεί οι παρατηρητικοί αστρονόμοι να είναι πρόθυμοι να αφιερώσουν τον χρόνο που απαιτείται για να κοσκινίσουν τις τεράστιες ποσότητες δεδομένων του Webb, οι οποίες είναι ήδη δημόσια διαθέσιμες.
