Het licht van een verre quasar wordt onderweg naar de aarde door twee verschillende sterrenstelsels afgebogen. Daardoor is deze quasar zes keer te zien aan de hemel. Dit kan astronomen helpen vaststellen hoe snel het heelal uitdijt.
Een toevallige samenstand van twee zware sterrenstelsels kan astronomen helpen om de uitdijing van het heelal beter te meten. Dat kan licht werpen op de mysterieuze aard van donkere energie.
Buigen en uitvergroten
Toen Albert Einstein aan zijn algemene relativiteitstheorie werkte, voorspelde hij dat de lichtstralen van verre sterren en sterrenstelsels kunnen worden afgebogen door de zwaartekracht van zeer zware objecten die ze op hun pad tegenkomen. De zware objecten werken dan als een soort lenzen, die het sterlicht buigen en uitvergroten.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Astronomen hebben sindsdien honderden voorbeelden van dit soort ‘zwaartekrachtlenzen’ gevonden. De sterrenstelsels vervormen de beelden van sterrenstelsels die achter ze staan. Soms is een ver sterrenstelsel daardoor zelfs tweemaal zichtbaar aan de hemel.
Nu heeft het team van astronoom Martin Millon van de Stanford-universiteit in de VS een wel heel bijzonder geval gevonden. Het gaat om het verre licht van een quasar: een extreem heldere kern van een sterrenstelsel, waar een superzwaar zwart gat schuilgaat. Het licht van deze quasar wordt onderweg naar de aarde afgebogen door maar liefst twee sterrenstelsels, die 13,4 miljard lichtjaar van elkaar verwijderd zijn.
‘Dit is de enige dubbele zwaartekrachtlens die tot nu toe is gevonden’, zegt Millon. ‘Het is waarschijnlijk een 1-op-de-50.000-treffer. Maar we hebben nog geen 50.000 gelensde quasars gevonden. We kennen er maar driehonderd, dus het is supervreemd dat we deze gevonden hebben.’
Zigzaglens
Astronomen noemen deze bijzondere opstelling een ‘zigzaglens’. Het tweetal lenzen levert een beeld op aan de hemel waarbij zes kopieën van de verre quasar te zien zijn. Sommige daarvan zijn omgedraaid, vanwege de vreemde manier waarop het licht van de quasar tussen de twee lenzen beweegt.
‘Zoiets hebben we nog nooit eerder gezien’, zegt kosmoloog Thomas Collett van de Universiteit van Portsmouth in het Verenigd Koninkrijk. Het is weleens voorkomen dat meer dan twee sterrenstelsels invloed uitoefenden op licht dat van ver kwam, maar het lenseffect van een tweede sterrenstelsel was dan telkens zo klein dat het eigenlijk niet te zien was, zegt hij.
Lens of ver lichtpuntje?
Dit lenzenduo is voor het eerst gezien in 2021. Maar astronomen dachten toen nog dat het om een enkel lens-sterrenstelsel ging, dat het licht van twee quasars erachter vervormde. ‘Je kunt zien dat er een groot helder geel sterrenstelsel in het midden staat – het belangrijkste lens-sterrenstelsel – en een rode boog. Daarvan werd gedacht dat het een ander sterrenstelsel was dat op dezelfde afstand staat als de quasar’, zegt teamlid Frédéric Dux.
Nieuwe waarnemingen met de Nordic Optical Telescope op de Canarische Eilanden en de James Webb-ruimtetelescoop weerlegden dat idee. Het bleek dat de rode boog een dichterbij gelegen sterrenstelsel is, dat als tweede lens werkt, aldus Dux.
Uitdijingsvraagstuk
Eén lens maakt een verre bron soms viermaal zichtbaar aan de hemel. Deze quasar is maar liefst zes keer te zien. Dit maakt het mogelijk om de uitdijingssnelheid van het heelal nauwkeuriger vast te stellen.
Daarmee kan deze quasar zomaar eens een langlopend debat beslechten. Astronomen zijn het namelijk niet eens over de waarde van de uitdijingssnelheid, die ook wel de hubbleconstante wordt genoemd. Twee verschillende meettechnieken leveren twee zeer verschillende waarden op.
Een patroon van vier beelden, van een enkele lens, kan bij verschillende waarden voor de hubbleconstante verschijnen – afhankelijk van hoe de massa in het lens-sterrenstelsel is verdeeld. Het is onmogelijk om vast te stellen welke waarde ‘klopt’. Met twee lenzen is dat anders. Dan kun je verschillende scenario’s wel van elkaar onderscheiden, en dus de hubbleconstante nauwkeuriger meten, zegt Millon.
Ver in het vroege heelal
Als klap op de vuurpijl is een van de lenzenstelsels de verste zwaartekrachtlens die we kennen. Hij staat op 15,8 miljard lichtjaar. Dit biedt een unieke kans om de massa van sterrenstelsels in het vroege heelal te meten, zegt Collett. ‘Het is echt spannend om meer te weten te komen over die tweede lens – dit sterrenstelsel dat halverwege de grens van het heelal staat.’
Zwaartekrachtslenzen bieden een van de nauwkeurigste methoden om de massa van sterrenstelsels te meten. Maar omdat sterrenstelsels in het vroege heelal nog geen tijd hebben gehad om uit te groeien tot zware stelsels die kunnen dienen als lens, is deze methode veelal onbruikbaar voor stelsels in de jonge jaren van het universum. Dat levert een gat in onze kennis op. ‘Dit is de eerste echte kans om de samenstelling van sterrenstelsels op zo’n grote afstand [van de aarde] te begrijpen, en dat is erg opwindend’, zegt Collett.
Het lenzentweetal kan ons ook iets vertellen over de uitdijingssnelheid van het heelal in het verre verleden, in het tijdperk van het verre sterrenstelsel, zegt Millon. Dit onthult iets over de aard van donkere energie. Dat is een mysterieuze kracht die de uitdijing van het heelal lijkt aan te jagen. ‘Het stelt grenzen aan hoe donkere energie de uitdijing in de afgelopen miljarden jaren heeft versneld. Dit is iets wat je alleen kunt doen als je [meerdere lenzen] hebt.’
