Einsteinring en Einsteinkruis
1. Ontdekking van een mooie Einsteinring in een bekend sterrenstelsel
Scientias, 10-02-2025, door Jeannette Kras
Aan ruimtetelescoop Euclid is de taak toebedeeld om het heelal in kaart te brengen, tot wel 10 miljard lichtjaar ver. Maar nog voor de metingen officieel zijn begonnen, doet de ESA-telescoop al een bijzondere ontdekking: een perfect scherpe Einsteinring.
Op 1 juli 2023 begon Euclid aan een zesjarige missie om de afstanden en evolutie van het heelal te ontdekken. Voordat de metingen konden beginnen, moesten wetenschappers controleren of alles naar behoren werkte. Tijdens deze testfase in september 2023 stuurde Euclid enkele onscherpe beelden terug naar de aarde. Ondanks de matige kwaliteit viel iets bijzonders op: Euclid-wetenschapper Bruno Altieri zag een hint van een zeer zeldzaam verschijnsel en besloot het nader te bekijken.
"Ik keek naar de data van Euclid zoals ze binnenkomen," begint Altieri. "En zelfs bij de eerste waarneming zag ik het al. Maar toen Euclid meer metingen deed in dat gebied, zagen we het nog duidelijker: een perfecte Einsteinring. Voor mij, met een levenslange fascinatie voor zwaartekrachtlensing, was dit geweldig."
Bekend sterrenstelsel
De Einsteinring zat verborgen in een bekend sterrenstelsel, NGC 6505, op ongeveer 590 miljoen lichtjaar van de aarde, in kosmische termen op een steenworp afstand. Toch is dit de eerste keer dat de lichtkring werd waargenomen en dat lukte dankzij Euclids ultrascherpe instrumenten.
De ring bestaat uit licht van een nog verder gelegen sterrenstelsel, dat zich op 4,42 miljard lichtjaar afstand bevindt. Dit sterrenstelsel is nooit eerder waargenomen en heeft ook nog geen naam. Onderweg werd het licht vervormd door de zwaartekracht van het sterrenstelsel op de voorgrond. Dit effect, sterke zwaartekrachtlensing genoemd, ontstaat wanneer een massief object het licht van een achterliggend object afbuigt en vergroot.
Een close-up van de Einsteinring rond sterrenstelsel NGC 6505.Foto: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, T. Li
"Een Einsteinring is een voorbeeld van sterke zwaartekrachtlensing," legt hoofdonderzoeker Conor O'Riordan van het Max Planck Instituut voor Astrofysica uit. "Alle sterke lenzen zijn bijzonder, omdat ze zeldzaam zijn en ze zijn wetenschappelijk ongelooflijk nuttig. Deze is extra bijzonder, omdat hij zo dicht bij de aarde staat en de scherpe vorm hem heel mooi maakt."
De relativiteitstheorie
Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein buigt licht af rond grote objecten in de ruimte. Het licht wordt dan als een reusachtige lens gebundeld. Dit lenseffect is groter voor massievere objecten, zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Het zorgt ervoor dat we soms het licht kunnen zien van verre sterrenstelsels die anders verborgen zouden blijven.
Als de uitlijning recht is, vormt het licht een spectaculaire ring rond het object op de voorgrond. Zulke ringen kunnen ons meer leren over de uitdijing van het heelal en de onzichtbare krachten van donkere materie en donkere energie. Door de manier waarop het licht wordt afgebogen, kunnen onderzoekers ook eigenschappen van de achtergrondbron bestuderen.
De kracht van Euclid
"Ik vind het erg intrigerend dat deze ring is waargenomen in een bekend sterrenstelsel, dat voor het eerst werd ontdekt in 1884," zegt Valeria Pettorino van ESA. "Het sterrenstelsel is al heel lang bekend bij astronomen en toch is deze ring nooit eerder waargenomen. Dit laat zien hoe krachtig Euclid is. Hij vindt nog nieuwe dingen op plekken waarvan we dachten dat we ze goed kenden. Deze ontdekking is erg hoopvol voor de toekomst van de Euclid-missie en toont nu al zijn geweldige mogelijkheden."
De Euclid-missie, vernoemd naar de Griekse grondlegger van de meetkunde Euclides, gaat maar liefst een derde van de hemel in kaart brengen en miljarden sterrenstelsels tot 10 miljard lichtjaar ver observeren. De telescoop kan wel 100.000 sterke zwaartekrachtlenzen ontdekken. Tot nu toe waren er minder dan 1000 bekend en slechts een paar zijn met hoge resolutie vastgelegd. Dat Euclid al in een vroeg stadium een zo indrukwekkend exemplaar vond, voorspelt veel goeds voor de rest van de missie.
Bronmateriaal
"Euclid: A complete Einstein ring in NGC 6505" - Astronomy and Astrophysics
2. De Einsteinring (ChatGPT, door mij bijgewerkt)
Een Einsteinring ontstaat door het effect van gravitatie-lensing, een fenomeen dat wordt voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Wanneer het licht van een verre ster of quasar wordt gebogen door de zwaartekracht van een massief object (zoals een sterrenstelsel of een zwart gat) tussen de waarnemer en de lichtbron, kan het resulteren in meerdere beelden van de bron.
Het Einsteinkruis Huchra's Lens, QSO (1985)Wikipedia
Waarom vier beelden?
In veel gevallen vertoont een Einsteinring vier beelden van de oorspronkelijke ster of quasar. Dit komt door de volgende oorzaken:
1. Gravitatiepotentiaal van de lens
- Het zwaartekrachtveld van de lens (bijvoorbeeld een sterrenstelsel) is meestal niet perfect symmetrisch, waardoor het licht in specifieke richtingen wordt afgebogen.
- Dit leidt ertoe dat het beeld zich splitst in meerdere paden.
2. Quadrupoolconfiguratie van de lensing-effecten
- De meeste lensobjecten zijn niet perfect bolvormig, maar hebben een elliptische verdeling van massa. Hierdoor ontstaan er vier stabiele lichtpaden waarin de waarnemer het licht ontvangt.
- Dit is een gevolg van de optische "caustics", waar de lichtstralen samenkomen en versterkt worden.
3. Einstein Kruis (Einstein Cross) als speciale configuratie
- Wanneer de lensing niet perfect circulair symmetrisch is, breekt de Einsteinring op in vier heldere puntvormige beelden rondom het zwaartekrachtcentrum van de lens.
- Dit specifieke patroon staat bekend als het Einstein Kruis en is een veelvoorkomend voorbeeld van sterke gravitatie-lensing.
4. Minimale en maximale beeldposities in de lensvergelijking
- De wiskundige beschrijving van gravitatie-lensing met behulp van Fermat's principe en lensvergelijkingen toont aan dat een asymmetrische massa (zoals een sterrenstelsel) typisch vier optische paden creëert waarop lichtstralen elkaar kruisen en een afbeelding vormen.
Wanneer zie je een volledige ring?
- Een perfecte Einsteinring ontstaat alleen als de uitlijning van de achtergrondbron, de lens en de waarnemer exact op één lijn ligt.
- In de meeste gevallen is de uitlijning niet perfect, waardoor de ring in afzonderlijke beelden wordt opgesplitst, vaak in vier, maar soms ook in twee of meerdere beelden afhankelijk van de lensmassa en vorm.
Als twee sterrenstelsels op één lijn liggen t.o.v. de aarde, dan vormt het middelste door de zwaartekarcht een zwaartekrachtlens. Het achterste sterrenstelsel wordt dan zichtbaar als een Einsteinring, die meestal vier beelden vertoont vanwege de manier waarop de zwaartekracht van de lensmassa het licht in meerdere stabiele paden splitst en doordat de onderliggende lensvergelijkingen vaak een quadrupoolstructuur (viervoud) opleveren.
3. Het Einstein Kruis (ChatGPT, door mij bijgewerkt)
Het Einstein Kruis (Q2237+030 of QSO 2237+0305) is een indrukwekkend voorbeeld van gravitatie-lenswerking, een fenomeen dat Albert Einstein voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie. Dit object is een gegraveerde quasar die door het zwaartekrachtsveld van een tussenliggende melkweg in vier afzonderlijke beelden wordt gesplitst, wat een kruisvormig patroon oplevert.
Het Einsteinkruis DESI-253.2534+26.8843Hoe werkt het Einsteinkruis?
Het Einstein Kruis ontstaat doordat de zwaartekracht van een massieve tussenliggende melkweg het licht van een quasar (een extreem heldere, verre actieve galactische kern) afbuigt en vervormt. Dit effect, bekend als gravitatie-lensing, werkt volgens Einstein's algemene relativiteitstheorie: massa kromt de ruimtetijd en buigt lichtstralen.
In het geval van het Einsteinkruis bevindt zich een quasar op ongeveer 8 miljard lichtjaar van de aarde, terwijl een melkweg (de lens) zich op ongeveer 400 miljoen lichtjaar afstand bevindt. De zwaartekracht van de melkweg functioneert als een lens en splitst het licht van de quasar in vier afzonderlijke beelden die symmetrisch rondom de kern van de lensende melkweg worden weergegeven.
Waardoor is het Einsteinkruis bijzonder?
1. Perfecte uitlijning: De kans op een perfecte uitlijning tussen een verre quasar en een tussenliggende melkweg is zeldzaam. Het Einstein Kruis is een van de mooiste en meest symmetrische voorbeelden van dit verschijnsel.
2. Test voor relativiteit: De observatie van gravitatie-lenswerking bevestigt de algemene relativiteitstheorie en helpt astronomen om de kromming van ruimtetijd door zwaartekracht te bestuderen.
3. Onderzoek naar donkere materie: De manier waarop het licht van de quasar vervormd wordt, geeft informatie over de massa en verdeling van donkere materie in de lensende melkweg.
4. Variaties in lichtsterkte: De afzonderlijke beelden van de quasar kunnen in helderheid verschillen door microlensing, waarbij individuele sterren in de lensende melkweg de quasar-lichtstralen verder verstoren.
Waar en hoe wordt het Einsteinkruis waargenomen?
Het Einsteinkruis bevindt zich in het sterrenbeeld Pegasus en werd voor het eerst geïdentificeerd in 1985. Omdat de afzonderlijke beelden relatief dicht bij elkaar staan, is een krachtige telescoop nodig om ze afzonderlijk waar te nemen.
Vergelijkbare fenomenen
Naast het Einsteinkruis zijn er andere bekende gravitatie-lenssystemen, zoals de Einsteinring (waarbij een quasarlicht in een cirkel vervormd wordt) en andere lenseffecten zoals de Zwaartekracht-lensclusters.
terug naar de viereenheid
terug naar het weblog
^