Lensa gravitasi
Suatu lensa gravitasi terbentuk ketika cahaya dari sumber yang sangat jauh dan terang (seperti quasar) "dibelokkan" disekitar objek yang sangat besar (seperti gugusan galaksi) di antara benda sumber cahaya dan pengamat. Proses ini dikenal sebagai pelensaan gravitasi dan merupakan salah satu prediksi dari teori relativitas umum dari Albert Einstein.
Meskipun Orest Chwolson tercatat sebagai yang pertama mendiskusikan efek ini dalam cetakan (tahun 1924), efek ini biasanya lebih diasosiasikan dengan Einstein, yang mempublikasikan artikel yang lebih terkenal tentang subjek ini tahun 1936.
Fritz Zwicky mengemukakan tahun 1937 bahwa efek tersebut dapat memungkinkan gugusan galaski bertindak sebagai lensa gravitasi. Efek ini baru dibuktikan kebenarannya tahun 1979 melalui pengamatan terhadap apa yang disebut "Quasar Kembar" Q0957+561.
Gravitasi dari benda yang sangat besar seperti gugusan galaksi atau lubang hitam dapat membengkokkan ruang-waktu, membengkokkan apapun di dalamnya- termasuk jalur yang dilalui berkas cahaya dari sumber yang terang di latar belakang. Ini mengubah waktu yang ditempuh cahaya untuk mencapai seorang pengamat, dan dapat memperbesar dan mengubah bentuk citra tampak dari sumber latar.
Tidak seperti lensa optik, "pembelokan" maksimum terjadi terdekat dari, dan "pembelokan" minimum terjauh dari pusat lensa gravitasi. Akibatnya, sebuah lensa gravitasi tidak punya satu titik fokus, melainkan garis fokus. Jika sumber, benda pelensa yang sangat besar, pengamat berada pada garis lurus, sumber akan kelihatan sebagai cincin di belakang benda raksasa itu.
Fenomena ini pertama kali disebutkan pada tahun 1924 oleh fisikawan dari St. Petersburg, Orest Chwolson, dan dikuantifikasi oleh Albert Einstein tahun 1936. Biasanya ia disebut dalam literatur sebagai cincin Einstein, karena Chwolson tidak memedulikan dirinya dengan fluks atau jari-jari gambar cincin itu. Secara lebih umum, jika lensa tersebut agak tidak lurus, sumbernya akan
menyerupai lengkungan parsial di sekitar lensa itu. Pengamat tersebut dapat melihat lebih dari satu citra sumber yang sama; jumlah dan bentuk sumber ini tergantung pada posisi relatif dari sumber, lensa, dan pengamat, dan sumber gravitasi dari benda lensa. Ada tiga macam pelensaan gravitasi;Efek pelensaan gravitasi kecil, sedemikian hingga (pada pelensaan kuat) bahkan galaksi dengan
massa lebih dari 100 miliar kali massa Matahari akan menghasilkan citra ganda yang terpisah hanya beberapa detik busur. Gugusan galaksi dapat menghasilkan pemisahan beberapa menit busur. Dalam kedua kasus galaksi dan sumber cukup jauh, ratusan megaparsek dari galaksi kita.
Pelensaan gravitasi bertindak sama pada semua jenis radiasi elektromagnetik, tidak hanya cahaya tampak. Efek pelensaan lemah sedang dipelajari untuk radiasi latar gelombang mikro kosmik maupun survei galaksi. Lensa kuat telah diamati juga pada gelombang radio dan sinar X. Jika lensa kuat menghasilkan gambar ganda, akan ada penundaan waktu relatif antara dua jalur: yaitu, pada satu citra benda pelensa akan teramati sebelum citra lainnya.
Pada gambar sebelah adalah simulasi lensa gravitasi yang ditimbulkan oleh sebuah lubang hitam Schwarschild yang berlalu di depan sebuah galaksi. Citra sekunder galaksi tersebut dapat dilihat dalam jari-jari Einstein lubang hitam itu pada sisi yang berlawanan dengan galaksi itu. Citra sekunder berkembang (tetap dalam cincin Einstein) saat citra primer mendekati lubang hitam. Terang permukaan
dari kedua citra itu tetap, tetapi ukuran sudut mereka berubah-ubah, dan karenanya menghasilkan penguatan terang galaksi seperti yang dilihat oleh pengamat di kejauhan. Penguatan maksimum terjadi ketika galaksi tersebut tepat berada di belakang lubang hitam itu.
Menurut relativitas umum, massa "melengkungkan" ruang-waktu menghasilkan medan gravitasi dan menyebabkan berbeloknya cahaya. Teori ini dibuktikan kebenarannya tahun 1919 saat terjadi gerhana matahari, ketika Arthur Eddington mengamati cahaya dari bintang-bintang yang berlalu dekat dengan matahari agak berbelok, sehingga bintang-bintang tersebut tampak agak tidak berada pada posisi sebenarnya.
Einstein menyadari bahwa juga mungkin benda langit membelokkan cahaya, dan pada kondisi yang benar, seseorang dapat mengamati citra ganda dari satu sumber, hal ini disebut lensa gravitasi atau kadang-kadang "mirage" gravitasi. Namun, karena Einstein hanya memperhitungkan pelensaan gravitasi oleh bintang tunggal, ia menyimpulkan bahwa fenomena itu mungkin tetap tidak teramati pada masa
yang akan datang. Tahun 1937, Fritz Zwicky pertama kali memperhitungkan kasus dimana galaksi dapat bertindak sebagai sumber, sesuatu yang menurut perhitungannya mesti ada dalam jangkauan pengamatan.
Tidak sampai tahun 1979 lensa gravitasi pertama ditemukan. ia menjadi dikenal sebagai "Quasar Kembar" karena mulanya ia tampak seperti dua quasar identik; ia secara resmi diberi nama Q0957+561. Lensa gravitasi ini tak sengaja ditemukan oleh Dennis Walsh, Bob Carswell, dan Ray Weymann menggunakan teleskop 2.1 meter di Kitt Peak National Observatory.
Pada tahun 1980-an, para astronom menyadari bahwa paduan dari pencitra CCD dan komputer dapat memungkinkan terang dari jutaan bintang diukur tiap malam. Pada tempat yang padat, seperti pusat galaksi atau awan Magellan, banyak even pelensaan mikro tiap tahun berpotensi untuk ditemukan. Ini membawa pada usaha seperti Optical Gravitational Lensing Experiment, atau OGLE, yang mencirikan ratusan peristiwa yang demikian.
Pada relativitas umum, gravitasi tidak diuraikan sebagai suatu gaya; oleh karenanya, jika gaya netto dari interaksi non-gravitasi dapat diabaikan, hukum yang mendeskripsikan gerak adalah Hukum Pertama Newton bukan Hukum Kedua Newton. Hukum Pertama Newton memodelkan posisi sebagai fungsi waktu pada mekanika non-relativistik, akan tetapi dalam relativitas umum hukum tersebut ditulis ulang untuk
memenuhi gerakan sepanjang geodesik ruang-waktu. kelengkungan ruang-waktu ini menyebabkan jalur dari benda yang bahkan tak bermassa seperti foton menyimpang dari garis lurus yang diharapkan dari intuisi Euclid; dan, terutama, jalur tersebut diamati melengkung tepat sama seperti geodesik yang diprediksikan oleh relativitas umum.
Karena kecepatan radiasi elektromagnetik dalam ruang hampa tidak bervariasi pada kedua teori relativitas, pelensaan mengubah arah vektor kecepatan tapi tidak besarnya. Pelensaan lemah dan mikro yang terutama menyebabkan pembelokan sebesar sudut
terhadap massa "M" pada jarak "r" dari radiasi yang dipengaruhi, dimana "G" adalah tetapan gravitasi universal dan "c" adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Perlu perhatian dalam mendefinisikan jarak ini karena gravitasi tidak instan (sesaat itu juga): seperti cahaya, ia melaju pada kecepatan "c". Jalur dari gelombang gravitasi dan radiasi
elektromagnetik berpotongan pada koordinat ruang-waktu tertentu, dan pelensaannya ditentukan oleh komponen dari gelombang gravitasi insiden yang tegak lurus pada arah gerak radiasi elektromagnetik.
Lensa-lensa gravitasi dapat dipakai sebagai "teleskop gravitasi", karena mereka mengumpulkan cahaya dari benda yang terlihat di belakangnya, membuat benda yang sangat redup tampak lebih terang, lebih besar dan karenanya lebih mudah dipelajari. Peneliti di Caltech telah menggunakan pelensaan gravitasi kuat dari gugusan galaksi Abell 2218 untuk mendeteksi galaksi paling jauh
yang diketahui (15 Februari, 2004) melalui pencitraan dengan Teleskop luar angkasa Hubble. Benda pada jarak sedemikian biasanya tidak kelihatan, menyediakan informasi dari masa lalu yang tidak mungkin tanpa pelensaan gravitasi.