Grawitacja może na chwilę zrobić z gwiazdy „lupę” — Paczyński zamienił efekt Einsteina w metodę poszukiwań
Bohdan Paczyński był jednym z kluczowych propagatorów wykorzystania mikrosoczewkowania grawitacyjnego do wykrywania ciemnych i słabo widocznych obiektów. Gdy masywny obiekt przechodzi bardzo blisko linii widzenia do odległej gwiazdy, jego grawitacja zakrzywia światło tła. Z Ziemi gwiazda może wtedy na pewien czas pojaśnieć, mimo że sama nie emituje więcej energii. Paczyński pokazał, że przy obserwacji ogromnej liczby gwiazd takie rzadkie zdarzenia można wychwytywać statystycznie. Metoda stała się później narzędziem badań ciemnej materii, gwiazd o małej masie i planet, które mogą być trudne do wykrycia innymi sposobami.
Soczewka bez szkła
Ogólna teoria względności mówi, że masa zakrzywia czasoprzestrzeń, a droga światła w takim otoczeniu również się zakrzywia. Jeśli między obserwatorem a odległą gwiazdą znajdzie się odpowiednio ustawiony obiekt — na przykład słaba gwiazda — jego pole grawitacyjne może skierować do nas dodatkowe promienie światła. W idealnym ustawieniu powstaje pierścień Einsteina, ale przy typowych odległościach i rozdzielczości teleskopu obrazy są nierozdzielone. Zamiast zobaczyć kształt soczewki, astronom mierzy przejściowy wzrost jasności źródła. Stąd nazwa mikrosoczewkowanie.
Dlaczego trzeba patrzeć na miliony gwiazd
Ustawienie trzech elementów — obserwatora, soczewki i źródła — musi być bardzo dokładne. Prawdopodobieństwo, że konkretna gwiazda akurat w danej chwili zostanie silnie mikrosoczewkowana, jest bardzo małe. Paczyński wskazywał więc, że rozwiązaniem nie jest długie śledzenie jednego obiektu, lecz masowy przegląd gęstych pól gwiazdowych. Jeżeli obserwuje się miliony gwiazd w centrum Drogi Mlecznej albo Obłokach Magellana, rzadkie zdarzenia zaczynają pojawiać się w użytecznej liczbie. To pomysł charakterystyczny dla nowoczesnej astronomii przeglądowej: pojedynczy sygnał jest rzadki, ale ogromna próbka zmienia statystykę.
Co można wykryć, jeśli obiekt prawie nie świeci
W mikrosoczewkowaniu najważniejsza jest masa soczewki, a nie jej własne światło. Dzięki temu metoda jest czuła na obiekty, które w zwykłym obrazie mogą być bardzo słabe: chłodne gwiazdy, brązowe karły, zwarte pozostałości gwiazdowe, a w odpowiednich konfiguracjach również planety. Z tego powodu w latach 80. i 90. rozważano ją jako sposób poszukiwania obiektów MACHO mogących stanowić część ciemnej materii halo galaktycznego. Wyniki późniejszych przeglądów ograniczyły udział takich obiektów w ciemnej materii, ale sama metoda okazała się znacznie szerzej użyteczna.
Jak planeta zostawia małe zaburzenie
Jeżeli soczewkująca gwiazda ma planetę, jej grawitacja tworzy dodatkową strukturę pola soczewkującego. W krzywej jasności może wtedy pojawić się krótkie odchylenie od prostego, symetrycznego pojaśnienia pojedynczej soczewki. Czasem sygnał planetarny trwa dni, a nawet godziny. To sprawia, że potrzebne są gęste serie obserwacji i szybkie systemy ostrzegania. Zaletą jest natomiast dostęp do populacji planet znajdujących się w odległościach i konfiguracjach orbitalnych innych niż typowo preferowane przez metody tranzytów czy prędkości radialnych.
Od propozycji do dużych przeglądów
Princeton opisuje Paczyńskiego jako pioniera wykorzystania mikrosoczewkowania w praktyce obserwacyjnej. Jego idee przyczyniły się do uruchomienia dużych projektów takich jak OGLE. Historia jest interesująca, bo równanie ogólnej teorii względności istniało od dziesięcioleci, a przełomem stało się rozpoznanie, jak zamienić subtelny efekt w strategię obserwacyjną: trzeba wybrać gęste pola, fotografować je wielokrotnie, mierzyć jasność olbrzymiej liczby gwiazd i automatycznie wyławiać nietypowe krzywe zmian. Fizyczna „lupa” jest naturalna, ale teleskopowy eksperyment trzeba było zaprojektować.