Kütleçekimsel merceklenme

Kütleçekimsel merceklenme, bir galaksi ya da galaksi kümesi gibi çok kütleli bir cismin, arkasındaki uzak bir kaynaktan gelen ışığı eğerek görüntüyü büyütmesi, çoğaltması veya bir yay biçiminde uzatması olayıdır. Doğal bir cam mercek gibi davranır, ama cam yerine kütleçekimi kullanır.

Nasıl işler?

Albert Einstein'ın genel görelilik kuramına göre kütle, çevresindeki uzay-zamanı büker. Işık en kısa yolu izlemeye çalışır; bükülmüş uzayda bu yol da eğri olur. Bu yüzden büyük bir cismin yakınından geçen ışık hafifçe yön değiştirir. Eğer bir gözlemci, merceği oluşturan kütle ve arkadaki kaynak neredeyse aynı doğrultudaysa, kaynağın ışığı kütlenin iki yanından dolanıp bize ulaşır. Sonuçta aynı kaynağın birden çok görüntüsü, ya da mükemmel hizalanmada "Einstein halkası" adı verilen parlak bir çember görülür.

Merceklenme üç türe ayrılır. Güçlü merceklenmede görüntüler gözle seçilebilecek kadar belirgin biçimde yay ve çoklu kopya olarak görülür. Zayıf merceklenmede tek tek görüntüler çok az çarpılır; ancak binlerce galaksinin biçimine istatistiksel olarak bakılarak ortadaki kütle haritalanır. Mikromerceklenmede ise bir yıldız ya da gezegen arka plandaki yıldızın önünden geçerken görüntüyü yalnızca geçici olarak parlatır, ayrı görüntüler seçilemez.

Örnekler

29 Mayıs 1919'daki tam güneş tutulmasında Arthur Eddington, Frank Dyson ve ekipleri Brezilya'nın Sobral kenti ile Príncipe Adası'nda Güneş'in yakınından geçen yıldız ışığının sapmasını ölçtü ve bu, genel göreliliğin ilk büyük sınavı oldu. 1979'da Dennis Walsh, Robert Carswell ve Ray Weymann, Kitt Peak'teki 2,1 metrelik teleskopla "İkiz Kuasar" adıyla bilinen QSO 0957+561'i buldu; tek bir kuasar iki görüntü vermişti ve bu, merceklenmiş ilk cisim olarak tanındı. Hubble ve James Webb uzay teleskoplarının derin alan görüntülerinde, kümelerin arkasından gelen mavi yaylar çarpıcı biçimde görülür. Webb'in erken evrene ilişkin bazı gözlemleri, bu büyütme etkisinden yararlanılarak yapıldı.

Mikromerceklenme yöntemi ise, Samanyolu'nda ışık yaymayan cisimleri ve bazı ötegezegenleri bulmak için de kullanılır; özellikle yıldızlarından uzakta dolanan gezegenlere duyarlıdır.

Neden önemli?

Merceklenme, karanlık maddeyi doğrudan "tartabilen" nadir yöntemlerden biridir. Işığı bükenin ne parladığı ne de gaz olması gerekir; yalnızca kütlesi yeterlidir. Böylece gökbilimciler, görünmeyen maddenin kümeler içindeki dağılımını haritalar. Ayrıca merceklenmiş görüntülerin ışığı farklı yollar izlediğinden varış zamanları farklıdır; bu gecikmeler evrenin genişleme hızını ölçmek için kullanılır. Merceklenme olmasaydı, evrenin ilk galaksilerinin bir kısmı soluk kalıp bizden gizli kalırdı.

Tarihçe

Işığın kütleçekimiyle sapması fikri Newton mekaniği çerçevesinde de tartışılmıştı (Cavendish 1784, Soldner 1801), fakat Newton yaklaşımının verdiği sapma, genel göreliliğin 1915'te öngördüğü değerin yarısıydı. Etkiyi ilk kez basılı olarak 1924'te Orest Hvolson tartıştı. Einstein 1936'da bir yıldızın mercek etkisini yayımladı, ancak bunun doğrudan gözlenemeyeceğini düşündü. Fritz Zwicky 1937'de galaksilerin çok daha güçlü mercekler olabileceğini öne sürdü; bu tahmin 1979'da doğrulandı.

Merak edilenler

Genel görelilikte bu sapma, ışığın rengine bağlı olmayan geometrik bir etkidir; cam mercekteki renk saçılmasından farklıdır. Merceklenme, görüntünün gökyüzündeki görünür alanını büyütür; bu yüzden kaynağın toplam ışığı artar. Webb'in ilk tam renkli görüntüsünün hedefi olan, yaklaşık 4 milyar ışık yılı uzaktaki SMACS 0723 kümesinin arkasında, ışığı yaklaşık 13 milyar yıl yol almış galaksiler merceklenmiş olarak görülür. Birden çok görüntü veren SN Refsdal süpernovasının görüntüleri arasındaki zaman gecikmesi ise evrenin genişleme hızını bağımsız biçimde ölçmeye imkân verdi. Merceklenme bugün astronomide rutin bir araçtır: Euclid uzay teleskobu (2023'te fırlatıldı) ve Vera Rubin Gözlemevi (tam tarama işletmesine 2026'da başladı) gibi geniş alan taramaları, milyarlarca galaksinin hafif çarpılmasını ölçerek evrenin büyük ölçekli kütle haritasını çıkarmayı amaçlar. Böylece karanlık maddenin gökyüzündeki dağılımı daha iyi öğrenilecektir.

İlgili terimler

• Genel görelilik
• Karanlık madde
• Einstein halkası
• Galaksi kümesi
• Kuasar
• Ötegezegen