Lensa Graviti: Apabila Jisim Membelokkan Cahaya

Dalam relativiti am, graviti bukan sekadar tarikan antara dua objek. Jisim dan tenaga mengubah geometri ruang-masa, lalu cahaya mengikuti laluan yang melengkung apabila melalui kawasan berhampiran objek berjisim besar. Jika sebuah galaksi atau gugusan galaksi berada hampir sebaris dengan sumber yang lebih jauh dan pemerhati, pembelokan itu boleh menghasilkan fenomena lensa graviti.

Satu sumber boleh kelihatan sebagai lengkok, cincin atau beberapa imej

Bentuk yang dilihat bergantung pada taburan jisim kanta dan penjajaran antara sumber, kanta serta pemerhati. Penjajaran yang sangat hampir sempurna boleh menghasilkan cincin Einstein, manakala penjajaran lain boleh menghasilkan beberapa imej atau lengkok memanjang. Lensa juga boleh meningkatkan jumlah fluks yang diterima daripada sumber jauh melalui pembesaran imej; dalam penghampiran lensa graviti piawai, kecerahan permukaan dipelihara sementara luas sudut imej berubah.

Ahli astronomi menggunakan lensa kuat dan lensa lemah

Lensa kuat menghasilkan kesan yang jelas seperti imej berganda, lengkok atau cincin. Lensa lemah pula mengubah bentuk banyak galaksi latar dengan sangat sedikit sehingga kesannya biasanya hanya muncul selepas analisis statistik sejumlah besar imej. Kedua-duanya membolehkan ahli astronomi menguji bagaimana jisim tersebar dalam galaksi dan gugusan.

Contoh angka: pembelokan cahaya di tepi Matahari

Cahaya bintang yang lalu di tepi Matahari dibelokkan oleh sudut α = 4GM/(c²R), dengan G ialah pemalar graviti, M jisim Matahari, c kelajuan cahaya dan R jejari Matahari. Dengan 4GM/c² kira-kira 5.9 km dan R kira-kira 6.96 × 10⁵ km, α ≈ 8.5 × 10⁻⁶ radian, iaitu kira-kira 1.75 saat lengkok. Nilai ini dua kali ganda nilai yang diramal oleh pengiraan lama yang menganggap cahaya sebagai zarah biasa yang ditarik graviti, dan perbezaan inilah yang menguji relativiti am. Dalam relativiti am, cahaya tidak ditarik seperti bola yang dilontar; ia mengikut laluan terpendek dalam ruang-masa yang melengkung.

Pembelokan cahaya membantu menganggarkan jisim yang tidak bercahaya

Kekuatan lensa bergantung pada jumlah dan taburan jisim, bukan hanya bahan yang memancarkan cahaya. Dengan membina model yang menghasilkan corak lensa seperti yang diperhatikan, ahli astronomi boleh menganggar taburan jisim keseluruhan, termasuk komponen jirim gelap yang tidak dapat dipetakan hanya daripada cahaya bintang.

Laluan cahaya yang berbeza juga membawa maklumat masa

Apabila satu sumber berubah-ubah menghasilkan beberapa imej, setiap laluan boleh mempunyai panjang dan kelewatan graviti yang berbeza. Perubahan kecerahan yang sama kemudian tiba pada masa berlainan dalam setiap imej. Pada skala lebih kecil, bintang atau objek padat boleh menghasilkan mikrolensa, iaitu perubahan kecerahan sementara apabila penjajaran berlaku tanpa semestinya menghasilkan imej berasingan yang dapat diselesaikan.

Sejarah ringkas

Pada 1919, pasukan yang diketuai Arthur Eddington dan Frank Dyson merakam kedudukan bintang berhampiran Matahari semasa gerhana dan melaporkan bahawa pembelokan lebih selaras dengan ramalan relativiti am. Pengukuran kemudian dengan teknik yang lebih tepat mengesahkan pembelokan itu. Pada 1979, kuasar kembar Q0957+561 dikenal pasti sebagai lensa graviti pertama yang dikesan, apabila dua imej yang sama dikenal pasti daripada satu kuasar.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?