Jakten på kvasarbildene

Astronomer må som regel bruke lang tid på å studere innsamlede observasjoner før de spennende resultatene dukker opp. En sjelden gang skjer det oppdagelser mens kamera går.

Håkon Dahle ser på stjernene utenfor Nordisk Optisk Teleskop på La Palma, Kanariøyene. Foto: Håkon Dahle.

En prikk er ikke alltid bare en prikk

En kvasar ser for oss på Jorden ut som en stjerne. Selv gjennom kraftige teleskoper ser den med andre ord ikke ut som noe mer spennende enn en lysende prikk. I virkeligheten er kvasarer stråling fra den voldsomme aktiviteten rundt et supermassivt sort hull i en fjern galakse. 

Kvasarene ligger så langt unna Jorden og vårt solsystem at det er plass til mange astronomiske objekter mellom oss og dem. I noen tilfeller kan det ligge en hel samling med galakser, en galaksehop, imellom. En slik hop med kanskje hundrevis av galakser på omtrent samme sted i universet gir opphav til et tyngdefelt som til og med kan påvirke lyset.

Hvis kvasaren, galaksehopen og jordkloden står på en noenlunde rett linje i forhold til hverandre, kan vi på Jorden se flere adskilte kopier av den samme kvasaren. Dette er en optisk illusjon som kalles gravitasjonslinsing. Illusjonen blir skapt av det gigantiske tyngdefeltet til galaksehopen, som fungerer som en linse for lysstrålene når de passerer i nærheten. 

Hvis du ser på et stearinlys gjennom stetten til et vinglass kan du se en lignende effekt selv. Med riktig opplinjering kan du se flere bilder av stearinlyset der glasset krummer seg i stetten. 

Linsing vist gjennom stetten på et vinglassTil venstre: Et vinglass og et stearinlys. Til høyre: Stetten på glasset holdes opp mellom observatøren og stearinlyset og fungerer som en linse. Vi ser flere (fordreide) bilder av lyset på litt ulik posisjon. Bilde: Anna Kathinka Dalland Evans 

Vi ser altså ikke kvasaren eller stearinlyset der de egentlig er, men et varierende antall til dels forvrengte kopier av den på litt ulike posisjoner i området rundt.

Håkon Dahle har forsket på gravitasjonslinsing ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo i en årrekke. Nå har han og kollegaene oppdaget et særdeles uvanlig fenomen: seks kopier av en og samme kvasar.

– Dette er første gang noen har observert seks bilder av den samme kvasaren linset av en galaksehop, forteller Dahle.

– Først trodde vi at vi hadde tre bilder, kanskje fire, men så dukket det plutselig opp to bilder til, som troll i eske.

Lyset avslører kvasaren

Siden bildene av kvasaren i utgangspunktet ser ut som vanlige stjerner, må astronomene undersøke nøye hvert av objektene de har mistanke til. Nærmere undersøkelser av de ulike bølgelengdene til lyset som sendes ut, kan skille bilder av kvasaren fra stjerner som tilfeldigvis befinner seg i nærheten. 

Både stjerner og kvasarer sender ut lys som har en hel rekke med forskjellige bølgelengder. I synlig lys tilsvarer de ulike fargene forskjellig bølgelengde på lyset. Blått lys svarer for eksempel til en bølgelengde omtrent mellom 450 og 500 nanometer. Rødt lys ligger på mellom 620 og 700 nanometer. Vi har ikke egne fargenavn på lys ved absolutt alle bølgelengder. Fargene glir over hverandre i et kontinuerlig spektrum, som i en regnbue.

Hvis man undersøker lysspekteret til en kvasar og til en stjerne vil man se klare forskjeller. For eksempel vil man for en kvasar se ekstra mye lys i et bredt område rundt noen spesifikke bølgelengder, såkalte emisjonslinjer. Dette blir altså en avslørende signatur som forteller astronomene at en gitt lysende prikk ikke er en vanlig stjerne, men en kvasar.

Sekstuppel kvasar - bildeAlle de oppdagete bildene av den sekstuple kvasaren, med tidsforsinkelse i dager. De oransje flekkene er galakser i galaksehopen som fungerer som linse, mens de grønne flekkene er linsete kopier av kvasaren, som egentlig er mye lenger unna enn galaksehopen. De seks kvasarkopiene er merket med gule piler og tidsforskjell i dager, relativt til det sterkeste kvasarbildet (øverst til venstre). Lyset fra de seks forskjellige bildene av kvasaren bruker forskjellig tid på å komme frem til oss. Lys fra kvasarbildet merket «-112d», vil vi altså se 112 dager før vi ser lyset fra det kvasarbildet merket «0d». Bilde: Håkon Dahle/Nordisk Optisk Teleskop

– Det første vi fikk bekreftet var at de tre sterkeste lyspunktene på bildene våre faktisk er tre bilder av den samme kvasaren, forteller Dahle.

I tillegg så forskerne en svak lyskilde i nærheten av de tre, som de mistenkte kunne være et fjerde bilde av den samme kvasaren. For å få dette bekreftet trengte de en ny undersøkelse av lysspekteret.

Strategi og litt flaks

Undersøkelsen av lysspekteret som avslører kvasarsignaturen er litt mer innviklet enn å se på et fotografi. Astronomene må velge seg et ganske smalt område i bildet der de kan få informasjon om spekteret når observasjonen tas. Det er viktig å velge en strategisk plassering av denne smale spalten, og noen ganger spiller også en god porsjon flaks en rolle.

Spalteposisjon i kvasarbildetDen smale spalten (innenfor de grønne linjene) som astronomene undersøkte lysspekteret fra. Kvasarkopiene A, B, C og D er merket. Legg merke til at D-bildet ligger innenfor spalten som ble valgt. Det var dette bildet astronomene i utgangspunktet ønsket å undersøke nærmere med denne observasjonen. G1, G2 og G3 er galakser i galaksehopen som fungerer som gravitasjonslinse, og ligger egentlig nærmere oss enn kvasaren. Det femte bildet (E) som tilfeldigvis ble oppdaget ligger smurt inntil galaksen G3 og er ikke synlig her. Hadde den grønne spalten vært orientert i en annen retning ville ikke dette femte bildet av kvasaren blitt funnet. Objektet merket «linsebue» er en annen fjern galakse som er forvrengt av gravitasjonslinseeffekten fra hopen. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: Håkon Dahle/Nordisk Optisk Teleskop.

Den spalten Dahle og kollegaene hans valgte ut, dekket selvsagt det objektet de ville undersøke, men strakte seg også lenger ut både over og under objektene. Astronomene satt i kontrollrommet til Nordisk Optisk Teleskop på Kanariøyen La Palma da de fikk seg en overraskelse.

De kunne straks bekrefte at objektet de mistenkte for å være et fjerde kvasarbilde faktisk hadde den karakteristiske kvasarsignaturen, som de hadde håpet. Imidlertid oppdaget de at den smale stripen de hadde valgt, tilfeldigvis inneholdt enda et bilde av kvasaren i samme slengen!

– Oppdagelsen av dette femte bildet av kvasaren skjedde uvanlig nok i sanntid mens vi satt i kontrollrommet og fikk resultatene inn fra teleskopet, forteller Dahle. – Det var veldig spennende! 

Kvasarsignaturen kom fra et objekt som de i utgangspunktet ikke hadde mistenkt for å være et kvasarbilde. På fotografiet kan dette kvasarbildet sees som en flekk som er smurt sammen med en av galaksene i hopen, derfor er det vanskelig å få øye på.

– Men plutselig oppdaget vi her en svak topp i samme bølgelengdeområde i spekteret som for de andre kvasarbildene, forteller Dahle. 

– Hadde vi plassert spalten for disse undersøkelsene i en annen retning, ville vi aldri ha oppdaget dette bildet av kvasaren, fortsetter han.

Det femte bildet var funnet.

Galaksehopens hemmeligheter

Det sjette, og hittil siste, bildet av kvasaren ble oppdaget på bakgrunn av en matematisk modell av galaksehopen som fungerer som gravitasjonslinse. 

Modeller av galaksehoper lages på datamaskiner på bakgrunn av fysiske teorier, matematiske ligninger og erfaringsbasert kunnskap om hvordan massen fordeler seg i en hop. Modellen som Dahle brukte, kan også ta imot informasjon om posisjonen til kvasarbildene for dette spesifikke systemet. Basert på denne informasjonen kan modellen brukes til å forutsi hvor mange gravitasjonslinsete bilder dette systemet mest sannsynlig produserer.

Forskerne matet modellen med informasjon om de fem kjente bildene. Resultatet ble at modellen forutsa eksistensen av et svakt, sjette bilde. Tilfeldigvis hadde astronomene det datamaterialet de trengte for å undersøke også dette området nærmere. Og ganske riktig: de fant antydninger til det sjette bildet der modellen hadde forutsagt at de burde finne det.

Videre observasjoner ved Nordisk Optisk Teleskop har vist at kvasaren varierer merkbart i lysstyrke. Lyset fra de seks forskjellige bildene av kvasaren bruker forskjellig tid på å komme frem til oss. Astronomer kan dermed se variasjonen i lysstyrke med ulik tidsforskjell i alle kvasarbildene. Modellen av galaksehopen forutsier en tidsforskjell mellom bildene på mellom 112 og 1368 dager, som vist på bildet. 

Matematiske finurligheter: alltid et oddetall kopier

Historien er ennå ikke over. Det er nemlig en matematisk teori som sier at det alltid vil finnes et odde antall bilder av et gravitasjonslinset objekt. Dette betyr at det et eller annet sted må finnes et veldig svakt, syvende bilde av kvasaren. 

Dahle og kollegaene hans fikk nylig tildelt observasjonstid med selveste romteleskopet Hubble for å undersøke systemet bedre. Nå jobber astronomene med analyse av Hubble-bildene.

Hubble-teleskopet tar bilder fra utenfor Jordens forstyrrende atmosfære, og bildene blir derfor skarpere enn fra teleskoper på Jorden.

– På Hubble-bildene er det sjette bildet av kvasaren klart synlig, forteller Dahle. 

Det syvende bildet er imidlertid fortsatt godt gjemt.

– Det er ikke sikkert vi noen gang vil klare å se det syvende bildet, men de nye observasjonene gjør at vi kan studere både den linsete kvasaren og galaksehopen som fungerer som linse, på enda bedre måter.

 

Denne saken er også publisert på forskning.no

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 20. jan. 2015 11:15 - Sist endret 30. okt. 2015 09:56