Krzyż Einsteina (ZW 2237+030): definicja, kwazar i soczewkowanie grawitacyjne

Galaktyka soczewkująca i odkrycie

Galaktyka, która tworzy efekt soczewkowania, to soczewka Huchry — stosunkowo bliska galaktyka spiralna oznaczona ZW 2237+030. Obiekt został opisany w latach 80. XX wieku przez Paula Huchrę i współpracowników; to za jego nazwiskiem galaktyka dostała potoczne określenie. Dzięki temu, że galaktyka leży znacznie bliżej niż kwazar znajdujący się za nią, jej pole grawitacyjne rozdziela światło kwazara na cztery odrębne obrazy.

Dane o odległościach i przesunięciu ku czerwieni

Zgodnie z jego przesunięciem ku czerwieni, kwazar znajduje się około 8 miliardów lat świetlnych od Ziemi, podczas gdy galaktyka soczewkująca jest znacznie bliżej — w przybliżeniu na odległość rzędu kilkuset milionów lat świetlnych (ok. 400 milionów lat świetlnych). Różnica w odległościach powoduje, że obserwujemy kilka obrazów jednego źródła świetlnego zamiast pojedynczego.

Dlaczego powstaje „krzyż”?

Gdy odległy punktowy źródło światła (kwazar) znajduje się prawie w osi obserwator–galaktyka soczewkująca, promienie świetlne są zakrzywiane przez masę galaktyki tworząc kilka ścieżek do obserwatora. W idealnie symetrycznym przypadku powstaje pierścień Einsteina; przy nieco przesuniętym ustawieniu geometrycznym i specyficznym rozkładzie masy otrzymujemy cztery rozdzielone obrazy — stąd nazwę „Krzyż Einsteina”. Obrazy leżą zwykle w odległościach rzędu około jednego łuku sekundowym od centrum soczewki, czyli bardzo blisko ze względu na skalę nieba.

Obserwacje i znaczenie naukowe

W praktyce Krzyż Einsteina jest obiektem intensywnie badanym z powodu kilku cech:

• Mikrosoczewkowanie — gwiazdy w galaktyce soczewkującej mogą dodatkowo wpływać na jasność poszczególnych obrazów kwazara. Zmiany jasności śledzone w czasie pozwalają badać strukturę wewnętrzną kwazara (rozmiary źródeł emitujących) oraz rozkład masy w galaktyce soczewkującej.
• Opóźnienia czasowe — światło docierające różnymi ścieżkami pokonuje różne drogi i doznaje różnych efektów grawitacyjnych, co daje niewielkie opóźnienia czasowe między zmianami jasności poszczególnych obrazów. W przypadku ZW 2237+030 opóźnienia są bardzo krótkie (rzędu dni lub krócej), co odróżnia go od niektórych innych systemów soczewkowych.
• Badanie masy i ciemnej materii — analiza położenia i jasności obrazów pozwala wnioskować o masie i rozkładzie materii w galaktyce soczewkującej, w tym o frakcji ciemnej materii.

Obserwacje amatorskie

Astronomowie amatorzy mogą dostrzec fragmenty Krzyża Einsteina przy bardzo dobrych warunkach obserwacyjnych: ciemne niebo, stabilna atmosfera i teleskopy o dużej aperturze. Tradycyjnie za dolną granicę przydatności do rozdzielenia poszczególnych obrazów podaje się zwierciadła o średnicy około 18 cali (ok. 45 cm) lub większe; jednak nawet mniejszy sprzęt może zarejestrować po prostu powiększoną plamkę przy korzystnym powiększeniu i długim czasie naświetlania.

Ciekawostki

Krzyż Einsteina jest jednym z najbardziej rozpoznawalnych przykładów soczewkowania wielokrotnego i jednym z pierwszych, które stały się przedmiotem regularnych długookresowych badań fotometrycznych. Dzięki relatywnie bliskiej galaktyce soczewkującej oraz częstym efektom mikrosoczewkowania obiekt ten dostarcza unikalnych informacji o strukturze kwazarów i małomierzalnych składnikach masy galaktyk.