אור שהולך בעקבות מרחב מעוקם
הכבידה מושכת אור, ולא רק חומר. בתורת הכבידה של איינשטיין, תורת היחסות הכללית, מסה מעקמת את המרחב והזמן שסביבה, ואור שחולף בסמוך הולך לאורך העקומה. העיקום זעיר: אור כוכבים שחולף ממש ליד שפת השמש סוטה ב־1.75 שניות קשת, בערך הרוחב של מטבע שנראה ממרחק של שני קילומטרים. המשלחות של ארתור אדינגטון מדדו אותו בליקוי החמה המלא של 1919, כשאפשר היה לצלם כוכבים ליד השמש המוחשכת, והתוצאה, כפולה ממה שהכבידה של ניוטון נותנת, הפכה את איינשטיין למפורסם.
שנייה קשת היא חלק אחד מ־3,600 של מעלה. כל מה שקורה במאמר הזה קורה בקנה המידה הזה: כל הסצנה הייתה נכנסת מאחורי גרגר חול שמחזיקים במרחק זרוע.
גלקסיה בתור עדשה
גלקסיה היא מסה גדולה בהרבה מהשמש, וגלקסיה שנמצאת באמצע הדרך לגלקסיה אחרת, רחוקה מאחוריה, מעקמת את האור של זו בדרכו אלינו. אור שחולף משמאל לעדשה מתעקם ימינה, ואור שחולף מימין לה מתעקם שמאלה, ולכן קרניים שיצאו לדרכן בכיוונים מתרחקים יכולות להיפגש שוב בטלסקופ. אז אנחנו רואים את הגלקסיה שמאחור לא במקום שבו היא נמצאת, אלא במקום שממנו נראה שהאור המעוקם מגיע, ולעתים קרובות יותר מפעם אחת.
הזווית שבה זה קורה היא רדיוס איינשטיין:
כאשר היא מסת העדשה, קבוע הכבידה, מהירות האור, ו־, ו־ המרחקים אל העדשה, אל המקור וביניהם. לגלקסיה אליפטית ענקית של טריליון מסות שמש, במרחק 3.3 מיליארד שנות אור, מול גלקסיה רחוקה פי שניים, הוא יוצא כ־2 שניות קשת. הטבעת גדלה רק כמו השורש הריבועי של המסה: פי ארבעה מסה עושים אותה רחבה פי שניים.
נסו: כשהיסט מהקו על 0, הספירלית שמאחור נמתחת סביב כל העדשה לטבעת איינשטיין. הזיזו אותו ל־0.4 שניות קשת: הטבעת נשברת לשתי קשתות משני הצדדים, והבהירה מהן בצד שאליו הגלקסיה זזה. ב־1.2 שניות קשת דמות שנייה וקלושה נשארת קרוב למרכז העדשה, וב־2.5 שניות קשת נשארת רק דמות אחת, מתוחה מעט ודחוקה החוצה.
קשתות, צלבים וטבעות
עדשה כבידתית לא משנה את הבהירות של כל חלקה על פני הגלקסיה. היא משנה את הצורה: החלקים של הגלקסיה שמאחור שקרובים ביותר לקו נפרשים סביב העדשה לקשתות ארוכות ודקות, מתוחות לאורך מעגל ודחוסות לרוחבו. נקודה שנמצאת בדיוק מאחורי מרכזה של עדשה עגולה לגמרי הייתה נמרחת לכל אורך רדיוס איינשטיין. גלקסיה אמיתית איננה נקודה, ולכן היא יוצרת טבעת שלמה כל עוד היא מכסה את הקו שעובר דרך מרכז העדשה.
עדשות אמיתיות כמעט אף פעם אינן עגולות. מאחורי גלקסיה שטוחה יש אזור קטן בצורת מעוין, ומקור שנמצא בתוכו נראה ארבע פעמים, בצלב סביב העדשה. העדשה הכבידתית הראשונה, שנמצאה ב־1979, הייתה קוואזר שנראה פעמיים; הצלב המפורסם ביותר, צלב איינשטיין, הוא קוואזר שהאור שלו יצא לדרך לפני כ־10 מיליארד שנה, ונראה ארבע פעמים סביב מרכזה של גלקסיה שנמצאת במרחק של כחצי מיליארד שנות אור בלבד. הטבעת השלמה הראשונה נמצאה בטלסקופי רדיו ב־1988.
נסו: קבעו את השטיחות של העדשה על 0.5 כשהיסט מהקו על 0: הטבעת נשברת לארבע דמויות. הזיזו לאט את היסט מהקו ל־0.4 שניות קשת, ושתיים מהן מתמזגות לקשת ארוכה אחת.
בהירה יותר, לא רק גדולה יותר
עדשה כבידתית שומרת על הבהירות של כל חלקה אבל פורשת את הגלקסיה על פני יותר שמיים, ולכן היא אוספת לטלסקופ יותר מהאור של הגלקסיה. הגרף שליד הסצנה מראה פי כמה בהירה יותר נראית הגלקסיה שמאחור: כשהיא בקו אחד מאחורי האליפטית הענקית, פי 30 בערך, וכמעט פי שניים גם כשהיא רחוקה מאוד מהקו.
זה הופך עדשות לטלסקופים טבעיים. לצבירי גלקסיות, כבדים פי אלף מגלקסיה בודדת, יש רדיוסי איינשטיין של עשרות שניות קשת, והם מקרבים לטווח הראייה כמה מהגלקסיות הרחוקות ביותר שידועות. ב־2022 השתמשו אסטרונומים באחד מהם כדי לזהות כוכב בודד, שכונה ארנדל, שהאור שלו יצא ממנו כשהיקום היה צעיר ממיליארד שנה.
נסו: קבעו את מסת העדשה על קבוצת גלקסיות. הטבעת גדלה פי שניים, והגרף מראה שהגלקסיה שמאחור נראית בהירה פי יותר מ־50 כשהיא בקו אחד.
לשקול את מה שאי אפשר לראות
רדיוס איינשטיין תלוי במסה שבתוכו, ובשום דבר אחר בעדשה: לא במה שהמסה עשויה ממנו, ולא בשאלה אם היא פולטת אור. לכן טבעת היא מאזניים. מודדים את הרדיוס שלה ואת המרחקים, והנוסחה נותנת את המסה שבתוכה. טבעות סביב גלקסיות מראות שהמסה שלהן פרושה הרבה יותר מהכוכבים שלהן, אותה מסקנה שעקומות הסיבוב מגיעות אליה: רוב המסה של גלקסיה הוא חומר אפל. עדשות של צבירים ממפות היכן החומר האפל שלהם נמצא, ובצבירים שהתנגשו הוא נמצא בנפרד מהגז הלוהט שמחזיק את רוב החומר הרגיל שלהם.
המסלולים סביב העדשה אינם באורך שווה. כשהמקור מהבהב, כמו שקוואזרים וכוכבים מתפוצצים עושים, ההבהוב מגיע לכל דמות בזמן אחר, בהפרש של ימים עד שנים, וההפרשים נותנים מדד לקצב התפשטות היקום. גם עדשות קטנות בהרבה פועלות: כשכוכב אחד חולף מול כוכב אחר בשביל החלב, הדמויות קרובות מכדי להפריד ביניהן, אבל הכוכב שמאחור מתבהר לכמה שבועות, וכוכב לכת סביב העדשה מוסיף הבזק קטן משלו. ליד חור שחור העיקום נעשה חזק כל כך שאור יכול להקיף אותו, וגלי כבידה אמורים להתעקם ליד גלקסיות בדיוק כמו אור.
נסו: הזיזו את הצגת המיקום האמיתי עד חציו. קווים עוקבים אחרי האור משש נקודות על שפת הגלקסיה שמאחור, מתעקמים בעדשה ונשלחים הלאה אלינו, כל אחד אל החלק של הטבעת שהוא מאיר. סובבו את המבט כדי לראות אותם מהצד. המשיכו אל איפה היא באמת: העיקום מתרפה, הקשתות מחליקות בחזרה לספירלית קטנה אחת, וכשהשתיים בקו אחד, גלקסיית העדשה הייתה מסתירה אותה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
- הזוויות מוגדלות מאוד. הסצנה מציירת שנייה קשת כמה יחידות סצנה, גדולה פי 8,000 בערך מכפי שהיא, ודוחסת מיליארדי שנות אור של עומק לאותו מרחב. המסלולים מצוירים כקווים ישרים שמתעקמים פעם אחת, במקום שבו הם חוצים את העדשה; העיקום האמיתי קורה בהדרגה, לאורך מאות אלפי שנות אור סביב העדשה, אבל זה רק פלח זעיר מכל הדרך.
- המרחקים מפושטים. העדשה ממוקמת במרחק 3.3 מיליארד שנות אור והמקור במרחק כפול, במרחב שטוח. ביקום מתפשט המרחקים שקובעים את רדיוס איינשטיין מוגדרים אחרת, והמספרים זזים בעשרות אחוזים.
- העדשה היא צורה חלקה. המסה שלה היא אליפסואיד איזותרמי סינגולרי, המודל הפשוט המקובל לכוכבים ולחומר האפל של גלקסיה יחד, בלי ליבה, בלי גושים ובלי גלקסיות שכנות. עדשות אמיתיות מוזזות על ידי שלושתם, ולכן צלבים וטבעות אמיתיים כמעט אף פעם אינם סימטריים.
- האור של גלקסיית העדשה מעומעם. אליפטית ענקית אמיתית בוהקת יותר מהקשתות הקלושות שסביבה, ואסטרונומים מחסירים מודל של האור שלה כדי לראות אותן. הסצנה מציירת אותה עמומה יותר במקום זה, עם כמה אלפי נקודות לכוכבים שלה כדי שתשמור על צורה כשמסובבים את המבט.
- מהצד, הדמויות נשארות במקום שבו האור שלהן חוצה את העדשה. שם שביל החלב רואה אותן; צופה במקום אחר היה רואה סידור אחר. הספירלית האמיתית שמאחור מופיעה במקום שבו היא באמת נמצאת כשמסתובבים הצידה מקו הראייה.
- הזמן לא עובר. הדמויות לא מהבהבות, ההפרשים ביניהן לא מוצגים, וכוכבים בעדשה לא מוסיפים עדשות זעירות משלהם.