عدسي هاي گرانشي

همان طور که مسير نور بر اثر عبور از عدسي منحرف مي شود، هنگام عبور از کنار جرم هم منحرف مي شود. پس مي توانيم از ستاره ها، کهکشان ها و خوشه هاي کهکشاني به عنوان عدسي استفاده کنيم. نام اين نوع عدسي ها را گذاشته اند عدسي گرانشي.
پس از شکل گيري نسبيت عام، انحراف نور در کنار اجرام مطالعه شد. پيش تر از آن هم، اين انحراف با استفاده از گرانش نيوتوني محاسبه شده بود. در گرانش نيوتوني مي توان نور را نيز مانند ذره اي جرم دار در نظر گرفت و مسير اين ذره را در کنار جرمي ديگر به دست آورد. مسير نور مانند مسير هر ذره ي جرم داري، هنگام عبور از کنار جرمي ديگر (مانند خورشيد) منحرف مي شود. نسبيت عام، اين انحراف را با رهيافتي ديگر به دست مي دهد (البته مقدار نسبيتي انحراف دو برابر مقدار نيوتوني آن است).

نخستين بار، اخترفيزيکداني انگليسي به نام ادينگتون اين انحراف نور را اندازه گيري کرد. او در خورشيد گرفتگي سال 1919/1298 هنگام گرفت کامل و تاريک شدن خورشيد، تصويرهايي از ستاره هاي زمينه و پيرامون خورشيد گرفت. به اين ترتيب مکان ستاره هاي پيرامون خورشيد را نسبت به ستاره هاي ديگر آسمان به دست آورد. نسبيت عام پيش بيني مي کند که نور ستاره بر اثر عبور از کنار خورشيد منحرف مي شود و اين باعث جابه جايي مکان تصوير ستاره در آسمان خواهد بود. او براي به دست آوردن اين انحراف، چند ماه بعد، زماني که فاصله ي زاويه اي خورشيد با آن ستاره زياد بود بار ديگر تصويري از آن ناحيه از آسمان گرفت. با مقايسه ي اين دو تصوير، ميزان جابه جايي ستاره ها را به دست آورد و اين مقدار، به تقريب، همان مقدار پيش بيني شده در نسبيت عام بود.
اين پديده ي ساده ي انحراف نور، بعدها در نجوم و کيهان شناسي رصدي، مهم شد. همان طور که مسير نور بر اثر عبور از عدسي منحرف مي شود، هنگام عبور از کنار جرم هم منحرف مي شود. پس مي توانيم از ستاره ها، کهکشان ها و خوشه هاي کهکشاني به عنوان عدسي استفاده کنيم، نام اين نوع عدسي ها را گذاشته اند عدسي گرانشي.
حالا مي توانيم مسايل متنوع اپتيک را در اين جا هم برسي کنيم: بزرگ نمايي تصوير، چند - تصويري، حلقه اي شدن تصوير، سوختيک ها (Caustics) و ... . يعني مي توانيم از خوشه اي کهکشاني، مانند تلسکوپ براي رصد کهکشان هاي دوردست استفاده کنيم. اين عدسي پر جرم مي تواند نور کهکشان هاي کم سو در دوردست را تقويت کند و به اين ترتيب ما آن کهکشان را رصد کنيم. کاري که در شرايط ايده آل، بهتر از تلسکوپ هاي فضايي هم انجام مي شود. يا اين که مي توانيم با استفاده از چند - تصويري شدن يا تغيير شکل تصوير و کماني شدن تصوير، جرم عدسي را محاسبه کنيم. يعني از روشي غير مستقيم، جرم خوشه اي کهکشاني را تخمين بزنيم. امروزه اين روش يکي از روش هاي اندازه گيري جرم خوشه هاي کهکشاني است. چون جرم ماده باعث انحراف نور مي شود (چه ماده ي روشن باشد و چه ماده ي تاريک)، با اندازه گيري آثار همگرايي گرانشي در کهکشان هاي زمينه مي توان تخميني از ميزان و توزيع جرم خوشه ي عدسي به دست آورد.
البته همه ي اين ها در عمل به اين سادگي نيستند. در اين جا هم درست مانند اپتيک هندسي ساده، نياز داريم فاصله ي چشم از ناظر، عدسي از ناظر و عدسي تا چشمه را بدانيم (در هندسه ي غير اقليدسي فاصله ي عدسي تا چشمه لزوماً از روي دو فاصله ي ديگر به دست نمي آيد). همچنين بايد مطمئن شويم که همگرايي رخ داده است. در اين اپتيک کيهاني آنچه ثبت مي کنيم فقط تصويري از آسمان است و بايد با استفاده از شواهدي بدانيم آيا همگرايي رخ داده است يا نه. يعني آثا مثلاً چند تصوير مشابهي که مي بينيم، تصاوير يک چشمه اند يا چند جسم متفاوت اند. نمونه هايي از پديده ي همگرايي گرانشي را در شکل هاي اين مقاله مي بينيد:

شکل يک، تصاويري از حلقه هاي موسوم به حلقه ي اينشتين را نشان مي دهد. زماني که چشمه، عدسي و ناظر در يک راستا باشند، تصوير همگرا شده اي که ناظر از چشمه مي بيند، حلقه اي به دورعدسي است. جسم پرنور در مرکز هر تصوير، عدسي است و حلقه ي دور آن، تصوير کهکشان زمينه است. نخستين حلقه ي اينشتين در سال 1998/1377 در همکاري بين دانشگاه منچستر و تلسکوپ فضايي هابل کشف شد.
شکل 2، چهار تصوير ايجاد شده از اختروش QSO 0305+2237 را نشان مي دهد که پشت کهکشان ZW 030+2237 قرار داد. اين اختروش، هشت ميليارد سال نوري از زمين فاصله دارد در حالي که فاصله ي کهکشان عدسي از ما چهارصد ميليون سال نوري است.
در شکل 3 تغيير شکل کهکشان هاي زمينه توسط خوشه ي عدسي آبل 2218 ديده مي شود.
همگرايي گرانشي بسته به جرم عدسي ها، فاصله ها و موقعيت هاي زاويه اي که دارند، پديده هاي متفاوتي را ايجاد مي کند. اين پديده ها به سه دسته تقسيم مي شوند:

1- ريزهمگرايي گرانشي:
 

در اين پديده ي همگرايي گرانشي، تغيير شکل جرم زمينه يا چند - تصويري ديده نمي شود. آنچه رصد مي شود تقويت نور چشمه است. يعني مثلاً عدسي اي (ستاره اي) از جلوي چشمه اي (ستاره اي ديگر) عبور مي کند و هنگام عبور، نور ستاره ي زمينه را همگرا مي کند و از آن ستاره دو يا چند تصوير ايجاد مي کند. به دليل فاصله ي بسيار کم دو تصوير، ناظر نمي تواند اين تصاوير را از هم تفکيک کند و در عوض آنچه مشاهده مي کند، تقويت نور چشمه است. اين پديده در دو گستره مشاهده شده است:

1- چشمه و عدسي دو ستاره در کهکشان ما يا در همسايگان نزديک ما (ابرهاي ماژلاني بزرگ و کوچک) هستند. از اين روش براي مشاهده ي غير مستقيم کوتوله هاي قهوه اي وماده ي تاريک فشرده ي درون کهکشان استفاده مي شود 2- نور رسيده از اختروش دور دست بر اثر عبور از درون يک کهکشان، توسط ستاره هاي آن کهکشان همگرا مي شود و افت و خيزهايي در تصويرهاي اختروش (که خود اين تصويرها بر اثر همگرايي گرانشي ايجاد شده اند) ديده مي شود.

2- همگرايي قوي گرانشي:
 

در اين پديده، تغيير شکل چشمه به خوبي قابل مشاهده است، يا اين که چند تصوير از چشمه ديده مي شود. حلقه ي اينشتين، تصويرهاي چندگانه ي اختروش ها و کمان هاي بزرگ مثال هايي از اين پديده اند (شکل هاي 1، 2و3).

3- همگرايي ضعيف گرانشي:
 

در پديده هاي همگرايي ضعيف گرانشي، تغيير شکل در چشمه هاي زمينه بسيار کوچک است و به شکل کمان هاي بزرگ و حلقه ي اينشتين قابل مشاهده نيست. در نتيجه، فقط مي توان با تحليل کردن تعداد زيادي چشمه و اندازه گيري تغيير شکل آن ها، علامتي از همگرايي گرانشي دريافت کرد (شکل 4). اگر در ناحيه اي از کهکشان هاي زمينه به طور متوسط تغيير شکلي در کهکشان ها ديده شود علامتي از همگرايي ضعيف گرانشي است. از اين روش براي بررسي توزيع جرم عدسي استفاده مي شود.
در اين روش خطاهاي آماري بسيار مهم اند. چون بيشتر کهکشان ها به طور ذاتي بيضي شکل اند و چون علامت همگرايي ضعيف گرانشي بسيار کوچک است، خطاي حاصل از شکل ذاتي کهکشان ها و پهن شدگي نور توسط جو و تلسکوپ، بسيار مهم و تأثيرگذار است. روش هاي مختلفي براي کم کردن اين خطاها به وجود آمده اند. و در حال کامل شدن اند. رصدهاي همگرايي ضعيف گرانشي براي تخمين زدن پارامترهاي کيهان شناسي هم به کار مي روند و روشي هستند براي اندازه گيري توزيع جرم در عالم. البته خطاهاي آماري بسيار مهم و دست و پاگيرند.
شکل 4، تصوير دو خوشه ي کهکشاني معروف به خوشه ي گلوله اي را نشان مي دهد که باعث تغيير شکل کهکشان هاي زمينه شده اند. توزيع جرم خوشه ي گلوله اي، با روش همگرايي ضعيف گرانشي به دست آمده است. پربندها، خطوط هم پتانسيل گرانشي را نشان مي دهند.
گستره هاي مختلف همگرايي گرانشي، روش هاي مختلفي را در اختيار کيهان شناسان قرار داده اند تا جرم خوشه هاي کهکشاني، نمايه ي چگالي هاله ي ماده ي تاريک کهکشان ها، توزيع جرم خوشه هاي کهکشاني و پارامترهاي کيهان شناسي (از جمله چگالي ماده در عالم) را بررسي و اندازه گيري کنند.
اين شاخه در کيهان شناسي هنوز نوپاست. همان طور که در بخش همگرايي ضعيف گرانشي توضيح داده شد،رصدهاي دقيق تر در پيشبرد اين شاخه بسيار مهم هستند. اکنون پروژه هاي رصدي بزرگ و متفاوتي براي مطالعه ي عالم با استفاده از عدسي هاي گرانشي در حال طراحي و اجرا هستند. در آينده، تلسکوپ هاي زميني و فضايي به کمک تلسکوپ هاي کيهاني (عدسي هاي گرانشي) تصوير بهتري از عالم به ما خواهند داد.
منبع: نجوم، شماره 191