De zwaartekracht werkt als een lens. Het buigt de ruimte, verdraait de tijd en vergroot licht dat anders verborgen zou blijven in het donker. Albert Einstein raadde dit een eeuw geleden al. Hij wist dat enorme objecten het weefsel van de kosmos konden vervormen, waardoor het licht van verre bronnen kon worden uitgerekt als het voorbijging. Tegenwoordig noemen we dat fenomeen zwaartekrachtlensing. De James Webb Space Telescope (JWT) gebruikt deze voorspelbare kosmische vervorming om de oudste overblijfselen van het universum te zien.
Dit is geen theorie meer. Het is een werkinstrument in de gereedschapskisten van observatoria. Kijk naar de nieuwste release van JWST, gecentreerd op een chaotische jonge cluster van sterrenstelsels die bekend staat als MACS J053.4-042. Hier zijn de funhouse-spiegels van Einstein volledig aan het werk. De afbeelding toont twee massieve sterrenstelsels die in elkaar grijpende hoorns, omringd door een achtergrond van zwak, oeroud sterrenlicht, versterkt tot zichtbaarheid door het enorme gewicht van de materie tussen ons en het vroege heelal.
De botsing in Columba
In het hart van het beeld bevinden zich twee heldere, witbakenstelsels. Ze zitten in het sterrenbeeld Columba. Volgens de European Space Agency (ESA) zweven deze niet alleen. Zij zijn de zwaartekrachtcentra van hun eigen subclusters, omhuld door kleinere, ondergeschikte sterrenstelsels. Maar ze hebben geen vrede. Ze zijn aan het crashen.
Het licht dat we op dit tafereel zien, vertrok toen het universum nog maar ongeveer 9 miljard jaar oud was, ongeveer 4,4 miljard jaar geleden – geen oogwenk voor kosmische evolutie, maar een eeuwigheid voor de biologie. Deze clusters bevinden zich midden in een rommelige fusie. De twee belangrijkste elliptische sterrenstelsels hebben elkaars kernen al doorboord. Op dit moment zijn ze ongeveer 1 miljoen lichtjaar van elkaar gescheiden. Stel je voor dat je tien Melkwegen naast elkaar zet. Dat is het dichten van de kloof. Over miljarden jaren zullen ze naar elkaar terugvallen, volledig samensmelten en één worden.
De twee clusters kunnen niet met elkaar overweg en versmelten in een proces dat uiteindelijk zal leiden tot één monsterlijk sterrenstelsel.
Maar kijk voorbij de witte centra. Kijk naar de randen.
Het onzichtbare zien met zwaartekrachtlenzen
Het echte verhaal leeft in de oranje bogen. Deze verwrongen lichtlinten flankeren het hoofdcluster als handvatten op een kopje. Ze maken geen deel uit van de lokale groep. Het zijn achtergrondstelsels, veel verder weg, waarvan het licht is gebogen en uitgerekt door de zwaartekracht van de voorgrondcluster. Zonder dit lenseffect zouden deze signalen zelfs voor James Webb te zwak zijn om te detecteren.
Dankzij zwaartekrachtlenzen kunnen astronomen sterrenstelsels onderzoeken die minder dan een miljard jaar na de oerknal zijn gevormd. Het versterkt het zwakste gefluister van het vroege heelal, waardoor onmogelijk zichtbare objecten duidelijke doelwitten voor studie worden. Alleen al in de linkerboog van de afbeelding zijn drie heldere stippen niet drie verschillende sterrenstelsels. Het is één en hetzelfde sterrenstelsel, dat meerdere keren in beeld is gebracht terwijl het licht verschillende paden rond de lens volgde.
Dit is geen zeldzame storing. Deze vervorming herhaalt zich over het hele gezichtsveld. Elke langwerpige oranje streep biedt een verwrongen venster op een oud tijdperk van de kosmische geschiedenis. Zo verifiëren wetenschappers dat het vroege heelal sneller sterren bouwde dan onze modellen voorspelden. De oudste structuren in de kosmos zijn groter en volwassener dan de huidige theorieën van de kosmologie zeggen dat ze zouden moeten zijn.
Waarom deze lens belangrijk is voor diepveldonderzoek
Zwaartekrachtlenzen zijn niet alleen een mooi plaatje. Het is de belangrijkste methode voor het bestuderen van de zwakke, oudste sterrenstelsels. Door een enorme kosmische eigenaardigheid (een cluster van sterrenstelsels) als lens te gebruiken om een andere (verre oude sterrenstelsels) bloot te leggen, vult JWST gaten in onze tijdlijn. De massa van MACS 0453.3-3542 fungeert als een natuurlijk vergrootglas, waardoor we details kunnen zien die zonder hulp wazig of onzichtbaar zouden zijn.
Wetenschappers verwachten dat deze waarnemingen astronomen jarenlang bezig zullen houden. Elke nieuwe afbeelding laat zien dat de vroege vorming van sterrenstelsels rommeliger, sneller en complexer was dan eerdere gegevens suggereerden. We zien het universum in een staat van snelle opbouw, vastgelegd in hoge definitie door de beste telescoop ooit gebouwd. De lens liegt niet. Het universum was altijd wilder dan we dachten.
En dat is nog maar het begin van wat deze telescoop zal zien.
