Seratus tahun yang lalu, Albert Einstein memperkenalkan cara baru radikal untuk memikirkan gaya graviti. Teori relativiti umumnya menyatakan bahawa ruang bukan arena kosong di mana peristiwa alam semesta dimainkan-tetapi peserta aktif dalam peristiwa tersebut.
Menurut relativiti umum, apa-apa yang mempunyai massa-bintang, planet, pemangsa-mengganggu ruang di sekelilingnya, menyebabkan ia melengkung. Ruang keluk matter, dan kelengkungan itu memberitahu perkara lain bagaimana untuk bergerak. Kami manusia sakit dilengkapi untuk membayangkan ruang tiga dimensi melengkung, jadi inilah analogi dua dimensi: jika bola berat ditempatkan di atas trampolin, permukaan trampolin akan membengkok. Jika anda kemudian menggulung guli di permukaan trampolin, laluannya akan melengkung. Ini analogi yang tidak sempurna, tetapi menyampaikan idea umum. Prinsip ini adalah mengapa Bumi mengikuti jalan melengkung di sekitar Matahari dan Bulan mengikuti laluan melengkung di sekeliling Bumi.
Ciri utama relativiti umum adalah bahawa kelengkungan ruang menjejaskan laluan cahaya serta perkara. Kesan ini dikenali sebagai "lensing graviti." Ini ternyata berbeza dengan cara cahaya berkelakuan di bawah graviti Newtonian, jadi penggunaan segera graviti adalah untuk menguji sama ada relativiti umum. Ia juga amat berguna untuk mengkaji sudut-sudut alam semesta yang paling jauh, kerana ia menyebabkan imej-imej galaksi jauh untuk diperbesarkan.
Bagaimanakah kerja penggenapan graviti? Sekiranya cahaya bergerak ke arah kami dari beberapa bintang jauh yang berlalu oleh satu lagi objek besar-mengatakan, satu lagi bintang atau galaksi-cahaya itu akan dipesongkan, dan jalannya diubah. Apabila cahaya itu mencapai Bumi, nampaknya datang dari arah yang berbeza daripada jalan asalnya. Kami melihat bintang itu berada di kedudukan yang berbeza di langit daripada di mana ia sebenarnya terletak. Pergerakan jelas bintang latar belakang ini sama sekali menggandakan apa yang akan anda lihat dalam graviti Newtonian; Oleh itu, ia menyediakan cara mudah untuk menguji teori Einstein.
Untuk mengukur berapa banyak imej bintang telah berpindah, namun, anda harus dapat melihatnya sebelum dan selepas cahaya dipertontonkan oleh jisim yang campur tangan. Kami biasanya tidak mempunyai pilihan untuk mendapatkan cukup jauh dari Bumi untuk melihat bintang jauh dari dua sudut berbeza, tetapi kita boleh mengambil kesempatan daripada fakta bahawa kita bergerak di sekitar matahari.
Jika kita memerhatikan bintang di seberang langit dari matahari, kita melihat kedudukannya yang "benar". Enam bulan kemudian, bintang itu akan berada di bahagian yang sama langit seperti matahari, dan kita kemudian dapat mengukur berapa banyak cahaya bintang yang dibelokkan oleh jisim matahari. Kita tidak boleh biasanya memerhatikan bintang ketika mereka berada di dekat matahari kerana siang hari ketika matahari terbit. Tetapi dalam keadaan tertentu, kita boleh. Ada satu ketika matahari terbit, tetapi cahaya matahari disekat: gerhana matahari total.
Pada bulan Mei 1919, ahli astronomi melihat seketika gerhana matahari yang kelihatan dari bahagian Afrika dan Amerika Selatan. Untuk memaksimumkan peluang mengamati gerhana berjaya, dua pasukan dihantar untuk memerhatikannya: satu ke Brazil dan satu, dipimpin oleh Sir Arthur Eddington, ke pulau Principe di luar pantai Afrika Barat. Walaupun penutup awan separa, pasukan Eddington berjaya. Pesongan cahaya yang diukur dari bintang-bintang dalam kluster Hyades memeteraikan teori Einstein dengan sempurna.
Semasa keseluruhan gerhana matahari pada 29 Mei 1919, Sir Arthur Eddington (kanan) mengesahkan Teori Relativiti Umum Einstein dengan mengira pesongan cahaya bintang di sebelah matahari. (AKG) Penemuan ini penting. "LAMPU SEMUA MENGIKUT DI SELURUH. EINSTEIN THEORY TRIUMPHS, " mengisytiharkan New York Times. (Ia menambah: "Lelaki Sains Lebih atau Kurang Agog Lebih Dari Hasil Pemerhatian Eclipse.") Pengesahan itu memberikan masa perpaduan dalam dunia yang terkoyak oleh peperangan; seperti yang dinyatakan oleh ahli fizik JP McEvoy dalam bukunya Eclipse tahun 1999, "satu teori baru alam semesta, gambaran seorang Yahudi Jerman yang bekerja di Berlin, telah disahkan oleh Quaker Bahasa Inggeris di sebuah pulau kecil di Afrika."
Tidak sampai 1936 seorang ahli astronomi Switzerland bernama Fritz Zwicky menyedari potensi lensa graviti sebagai alat untuk mengkaji alam semesta di luar kejiranan kami. Apabila mengira massa kumpulan galaksi -yang diketahui pada masa itu sebagai extragalactic nebulae-Zwicky mencatatkan bahawa terdapat peluang yang lebih baik galaksi yang jauh lebih jauh yang terletak di belakangnya akan memudaratkan cahaya ketika melewati kluster-kluster ini. Pada tahun 1937, beliau menulis bahawa kesan ini "akan membolehkan kita melihat nebula pada jarak lebih besar daripada yang biasa dijangkau oleh teleskop yang paling besar."
Kunci kepada konsep ini adalah ciri pemutar graviti yang menjadikannya sangat berguna: Cahaya yang jika tidak diarahkan jauh dari kita akan beralih ke arah kami, yang bermaksud bahawa kita melihat lebih banyak cahaya dari sumber lensa daripada yang biasa kita lakukan. Dalam erti kata lain, galaksi jauh yang berlaku untuk terletak di belakang objek besar diperbesar. Dan kerana kelompok galaksi adalah struktur yang paling besar di alam semesta, mereka adalah sifat kacamata pelindung yang terbaik yang ditawarkan.
Selama hampir 50 tahun, cadangan Zwicky mendapat sedikit perhatian. Galaksi kanta berpotensi adalah, bagaimanapun juga, terlalu lemah untuk dilihat. Itu berubah pada 1980-an, apabila perkembangan alat pengimejan digital pertama menggantikan plat fotografi dan meningkatkan sensitiviti teleskop secara mendadak kepada sumber pengsan.
Pada tahun 1986, sebuah arc dipanjangkan dramatik telah ditemui di cluster galaksi Abell 370. Arka panjang yang panjang dalam imej ini ternyata dua kali lebih jauh seperti kluster itu sendiri: ia adalah galaksi latar belakang - spiral seperti Milky Way- cahaya yang telah diputarbelitkan oleh jisim kluster, meregangkannya ke dalam arka yang besar ini. Satu dekad kemudian, galaksi lensa lain memecahkan rekod untuk objek paling jauh diketahui, kali pertama sejak tahun 1960-an bahawa galaksi tetap-bukan quasar, objek paling terang di alam semesta-telah memegang rekod itu.
Imej Teleskop Angkasa Hubble yang terdedah lama ini cluster galaksi besar Abell 2744 (latar depan) adalah yang paling dalam yang pernah dibuat dari mana-mana kumpulan galaksi. (NASA / ESA) Pada tahun 2009, pelancaran Teleskop Angkasa Hubble (HST) menyediakan imej yang paling sensitif yang pernah diperoleh dari alam semesta yang jauh, dan misi servis muktamadnya menambah kamera dekat inframerah yang sangat sensitif. Semasa sedang berjalan dengan Hubble adalah program baru yang menjanjikan untuk menolak had pandangan kita ke alam semesta lebih jauh lagi: program Hubble Frontier Fields.
Idea di sebalik program ini adalah untuk membuat pemerhatian yang mendalam yang mendedahkan galaksi-galaksi paling pudar, paling jauh-tetapi secara strategik bertujuan untuk kelompok-kelompok galaksi untuk mendapat manfaat daripada kesan pembesar lensa graviti. Program ini akan meliputi enam kelompok besar galaksi secara amnya, lima daripadanya telah siap sehingga kini. Ahli sains utama di projek Frontier Fields, Jen Lotz, menyifatkannya sebagai "pandangan mendalam alam semesta yang pernah diambil."
"Frontier Fields adalah eksperimen, " kata Matt Mountain, presiden Persatuan Universiti untuk Penyelidikan dalam Astronomi (AURA) dan bekas pengarah Institut Sains Teleskop Angkasa yang mengendalikan Hubble. Persoalan teras eksperimen: "Bolehkah kita menggunakan kualiti gambar Hubble yang indah dan teori Relativiti Am untuk Einstein untuk mencari galaksi yang pertama?"
Analisa awal Bidang Hadapan pertama telah mula menghasilkan banyak pemahaman tentang alam semesta awal. Jauh di belakang kluster pertama, Abell 2744, kita telah menemui imej yang diperbesarkan sekumpulan galaksi di alam semesta awal - hanya beberapa ratus juta tahun selepas Big Bang - yang mungkin sedang dalam proses membentuk kelompok mereka sendiri.
Kajian berhati-hati dari imej Frontier Fields mendedahkan galaksi 50 kali atau lebih diperbesar oleh lensa graviti. Ini adalah sebahagian daripada galaksi paling lemah yang pernah dilihat di alam semesta awal. Yang paling kecil ini akan menjadi seperti kerdil Fornax, galaksi kecil yang mengorbit Bima Sakti dan kira-kira seribu kali jisimnya. Walaupun itu kecil dengan piawaian galaksi, kita belajar dari Field Frontier bahawa terdapat sejumlah besar galaksi kecil di alam semesta awal. Begitu banyak, pada hakikatnya, bersama-sama mereka mungkin bertanggungjawab terhadap kebanyakan tenaga dalam bilion tahun pertama alam semesta.
Batasan sejauh mana yang dapat kita lihat ditetapkan oleh keupayaan Teleskop Angkasa Hubble. Galaksi yang pertama telah memancarkan cahaya mereka sejauh inframerah dengan pengembangan ruang yang Hubble tidak dapat melihatnya. Ini semua akan berubah pada tahun 2018 apabila pengganti Hubble, James Webb Space Telescope, dilancarkan pada 2018. Dengan cermin yang lebih besar dan kamera yang lebih sensitif yang dapat dilihat lebih jauh ke dalam inframerah, Webb akan membolehkan kita untuk mengamalkan lebih jauh ke masa lalu, dan lihat walaupun galaksi yang dahsyat. Dengan menunjuk Webb pada kluster galaksi dan menggunakan lensa graviti untuk kelebihan kami, kami boleh menolak batas-batas tersebut lagi.
Hanya dalam beberapa tahun, kita mungkin melihat galaksi yang pertama yang pernah terbentuk.
