सौ साल पहले, अल्बर्ट आइंस्टीन ने गुरुत्वाकर्षण बल के बारे में सोचने का एक नया तरीका पेश किया। उनके सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत ने माना कि अंतरिक्ष एक खाली क्षेत्र नहीं है, जिसमें ब्रह्मांड की घटनाएं बाहर खेलती हैं - लेकिन उन घटनाओं में एक सक्रिय भागीदार है।
सामान्य सापेक्षता के अनुसार, जो कुछ भी द्रव्यमान है - एक तारा, एक ग्रह, एक ओटर - इसके चारों ओर अंतरिक्ष को विकृत करता है, जिससे यह वक्र होता है। पदार्थ अंतरिक्ष को मोड़ता है, और वह वक्रता अन्य मामले को बताती है कि कैसे स्थानांतरित किया जाए। हम मनुष्य एक घुमावदार त्रि-आयामी अंतरिक्ष की कल्पना करने के लिए बीमार हैं, इसलिए यहां एक दो-आयामी सादृश्य है: यदि एक भारी गेंद को एक ट्रैम्पोलिन पर रखा जाता है, तो ट्रम्पोलिन की सतह झुक जाएगी। यदि आप ट्रम्पोलिन की सतह के पार मार्बल को रोल करते हैं, तो उनके रास्ते घुमावदार हो जाएंगे। यह एक अपूर्ण उपमा है, लेकिन सामान्य विचार बताती है। यह सिद्धांत है कि पृथ्वी सूर्य के चारों ओर एक घुमावदार पथ का अनुसरण करती है और चंद्रमा पृथ्वी के चारों ओर एक घुमावदार पथ का अनुसरण करता है।
सामान्य सापेक्षता की एक प्रमुख विशेषता यह है कि अंतरिक्ष की वक्रता प्रकाश के मार्ग के साथ-साथ पदार्थ को भी प्रभावित करती है। इस प्रभाव को "गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग" के रूप में जाना जाता है। यह न्यूटनियन गुरुत्वाकर्षण के तहत प्रकाश के व्यवहार के तरीके से भिन्न होता है, इसलिए गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग का एक तात्कालिक उपयोग यह परीक्षण करने के लिए है कि क्या सामान्य सापेक्षता वास्तविक है। यह ब्रह्मांड के सबसे दूर के कोनों का अध्ययन करने के लिए भी बेहद उपयोगी है, क्योंकि इससे दूर की आकाशगंगाओं की छवियां बढ़ जाती हैं।
गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग कैसे काम करता है? यदि किसी दूर के तारे से प्रकाश की ओर हमारी यात्रा किसी अन्य विशाल वस्तु से होकर गुजरती है - तो किसी अन्य तारे या आकाशगंगा से - वह प्रकाश विक्षेपित हो जाता है, और उसका मार्ग बदल जाता है। जब वह प्रकाश पृथ्वी पर पहुंचता है, तो वह अपने मूल मार्ग से अलग दिशा से आता हुआ प्रतीत होता है। हम तारे को आकाश में एक अलग स्थिति में होने के रूप में देखते हैं, जहां यह वास्तव में स्थित है। बैकग्राउंड स्टार का यह स्पष्ट आंदोलन बिल्कुल नया है जिसे आप न्यूटनियन गुरुत्वाकर्षण में देखेंगे; इसलिए, यह आइंस्टीन के सिद्धांत का परीक्षण करने का एक सरल तरीका प्रदान करता है।
यह मापने के लिए कि किसी तारे की छवि कितनी स्थानांतरित हो गई है, हालांकि, आपको इसके प्रकाश के पहले और बाद में दोनों का निरीक्षण करने में सक्षम होना चाहिए ताकि बीच के द्रव्यमान द्वारा विक्षेपित हो। हमारे पास आम तौर पर दो अलग-अलग कोणों से दूर के तारे देखने के लिए पृथ्वी से बहुत दूर जाने का विकल्प नहीं है, लेकिन हम इस तथ्य का लाभ उठा सकते हैं कि हम सूर्य के चारों ओर घूम रहे हैं।
यदि हम सूर्य से आकाश के विपरीत भाग में एक तारे का निरीक्षण करते हैं, तो हम इसकी "वास्तविक" स्थिति को देखते हैं। छह महीने बाद, तारा सूर्य के समान आकाश के हिस्से में होगा, और हम फिर यह माप सकते हैं कि सूर्य के द्रव्यमान से तारा का प्रकाश कितना विक्षेपित है। जब हम सूरज के करीब होते हैं तो हम आमतौर पर तारों का निरीक्षण नहीं कर सकते क्योंकि यह दिन का समय होता है जब सूरज ऊपर होता है। लेकिन कुछ परिस्थितियों में, हम कर सकते हैं। एक समय होता है जब सूर्य उदय होता है, लेकिन सूर्य का प्रकाश अवरुद्ध होता है: कुल सूर्य ग्रहण।
मई 1919 में, खगोलविदों को एक सूर्य ग्रहण देखने को मिला, जो अफ्रीका और दक्षिण अमेरिका दोनों के हिस्सों से दिखाई दे रहा था। सफलतापूर्वक ग्रहण देखने के अवसरों को अधिकतम करने के लिए, दो टीमों को इसका निरीक्षण करने के लिए भेजा गया था: एक ब्राजील के लिए और एक, सर आर्थर एडिंगटन के नेतृत्व में, पश्चिम अफ्रीका के तट पर प्रिंसिप के द्वीप के लिए। आंशिक क्लाउड कवर के बावजूद, एडिंगटन की टीम सफल रही। हाइड्स क्लस्टर में तारों से मापा गया प्रकाश का विक्षेपण आइंस्टीन के सिद्धांत से पूरी तरह मेल खाता था।
29 मई 1919 को कुल सूर्य ग्रहण के दौरान, सर आर्थर एडिंगटन (दाएं) ने सूर्य के बगल में तारों के विक्षेपण की गणना करके आइंस्टीन के जनरल थ्योरी ऑफ रिलेटिविटी की पुष्टि की। (AKG) यह खोज क्षणिक थी। न्यूयॉर्क टाइम्स की घोषणा की, "भारी मात्रा में सभी ASKEW को दर्शाता है। (इसमें कहा गया है: "विज्ञान के लोग अधिक या कम ग्रहण के परिणामों के बारे में अधिक जानकारी।") पुष्टि ने युद्ध से अलग दुनिया में एकता का एक क्षण प्रदान किया; जैसा कि भौतिक विज्ञानी जेपी मैकएवॉय ने अपनी 1999 की पुस्तक ग्रहण में लिखा है, "ब्रह्मांड का एक नया सिद्धांत, बर्लिन में काम करने वाले एक जर्मन यहूदी के दिमाग की उपज, एक छोटे से अफ्रीकी द्वीप पर एक अंग्रेजी क्वेकर द्वारा पुष्टि की गई थी।"
यह 1936 तक नहीं था कि फ्रिट्ज़ ज़्विकी नाम के एक स्विस खगोलशास्त्री ने हमारे तारकीय पड़ोस से परे ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए एक उपकरण के रूप में गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग की क्षमता का एहसास किया। जब आकाशगंगाओं के समूहों के द्रव्यमान की गणना करते हैं - उस समय के एक्सट्रागैलेक्टिक नेबुला के रूप में जाना जाता है- ज़्विकी ने उल्लेख किया कि एक अच्छा मौका था जब उनके पीछे स्थित दूर की आकाशगंगाओं में अधिक रोशनी होगी, क्योंकि इन समूहों को पारित करने के बाद उनका प्रकाश विक्षेपित हो जाएगा। 1937 में, उन्होंने लिखा था कि यह प्रभाव "हमें सबसे बड़ी दूरबीनों द्वारा पहुंची तुलना में अधिक दूरी पर निहारिकाओं को देखने में सक्षम करेगा।"
इस अवधारणा की कुंजी गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग की एक विशेषता है जो इसे अविश्वसनीय रूप से उपयोगी बनाती है: प्रकाश जिसे अन्यथा हमसे दूर किया जाएगा हमारी दिशा में बदल दिया जाता है, जिसका अर्थ है कि हम लेंस वाले स्रोतों से अधिक प्रकाश देखते हैं, जो हम सामान्य रूप से करते हैं। दूसरे शब्दों में, दूर की आकाशगंगाएँ जो बड़े पैमाने पर वस्तुओं के पीछे पड़ी रहती हैं, को बढ़ाया जाता है। और चूंकि आकाशगंगाओं के समूह ब्रह्मांड में सबसे विशाल संरचनाएं हैं, इसलिए वे सबसे अच्छा आवर्धक चश्मा प्रकृति की पेशकश करते हैं।
लगभग 50 वर्षों तक ज़्विकी के सुझाव पर थोड़ा ध्यान दिया गया। संभावित लेंस वाली आकाशगंगाएँ, आखिरकार, बहुत दूर तक देखने लायक थीं। 1980 के दशक में यह बदल गया, जब पहले डिजिटल इमेजिंग उपकरणों के विकास ने फोटोग्राफिक प्लेटों की जगह ले ली और नाटकीय रूप से दूरबीनों की संवेदनशीलता को बेहोश स्रोतों तक बढ़ा दिया।
1986 में, आकाशगंगा क्लस्टर Abell 370 में एक नाटकीय विस्तारित चाप की खोज की गई थी। इस छवि में लंबा, लाल चाप स्वयं क्लस्टर के रूप में दो बार दूर निकला: यह एक पृष्ठभूमि आकाशगंगा है - मिल्की वे की तरह एक सर्पिल - जिसका प्रकाश क्लस्टर के द्रव्यमान से विकृत हो गया है, उसे इस विशाल चाप में खींच लिया गया है। एक दशक बाद, एक और लेंसयुक्त आकाशगंगा ने सबसे दूर की वस्तु के लिए रिकॉर्ड तोड़ा, 1960 के दशक के बाद पहली बार जब एक नियमित आकाशगंगा - एक क्वासर नहीं, ब्रह्मांड में सबसे चमकीली वस्तुएं - उस रिकॉर्ड को संभाला था।
बड़े पैमाने पर आकाशगंगा क्लस्टर एबेल 2744 (अग्रभूमि) की यह लंबे समय तक जोखिम वाली हबल स्पेस टेलीस्कॉप छवि आकाशगंगाओं के किसी भी क्लस्टर से बनी सबसे गहरी है। (नासा / ईएसए) 2009 में, हबल स्पेस टेलीस्कोप (HST) के लॉन्च ने सबसे अधिक संवेदनशील चित्र प्रदान किए जो कि दूर के ब्रह्मांड से प्राप्त हुए थे, और इसके अंतिम सर्विसिंग मिशन ने एक नया अत्यंत संवेदनशील निकट अवरक्त कैमरा जोड़ा। वर्तमान में हबल के साथ एक नया कार्यक्रम चल रहा है जो ब्रह्मांड में हमारी टकटकी की सीमाओं को और भी आगे बढ़ाने का वादा करता है: हबल फ्रंटियर फील्ड्स कार्यक्रम।
इस कार्यक्रम के पीछे का विचार अविश्वसनीय रूप से गहरी टिप्पणियों को बनाने का है, जो सबसे दूर, सबसे दूर आकाशगंगाओं को प्रकट करता है - लेकिन रणनीतिक रूप से आकाशगंगाओं के समूहों को लक्षित करता है ताकि गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के आवर्धक प्रभाव से लाभ हो सके। कार्यक्रम कुल मिलाकर छह विशाल आकाशगंगा समूहों को कवर करेगा, जिनमें से पांच आज तक पूरे हो चुके हैं। फ्रंटियर फील्ड्स परियोजना के प्रमुख वैज्ञानिक जेन लोट्ज ने इसे "ब्रह्मांड का अब तक का सबसे गहरा दृश्य" बताया।
"फ्रंटियर फील्ड्स एक प्रयोग है, " मैट माउंटेन, यूनिवर्सिटी ऑफ एसोसिएशन फॉर रिसर्च इन एस्ट्रोनॉमी (AURA) के अध्यक्ष और स्पेस टेलीस्कोप साइंस इंस्टीट्यूट के पूर्व निदेशक कहते हैं, जो हबल का संचालन करता है। प्रयोग का मुख्य प्रश्न: "क्या हम पहली आकाशगंगाओं की खोज के लिए हबल की उत्तम छवि गुणवत्ता और सामान्य सापेक्षता के आइंस्टीन के सिद्धांत का उपयोग कर सकते हैं?"
पहले फ्रंटियर फील्ड्स का प्रारंभिक विश्लेषण पहले से ही प्रारंभिक ब्रह्मांड में अंतर्दृष्टि का खजाना पैदा करना शुरू कर चुका है। पहले क्लस्टर के पीछे, एबेल 2744, हमने प्रारंभिक ब्रह्मांड में आकाशगंगाओं के एक समूह की आवर्धित छवियों को पाया है - बिग बैंग के कुछ सौ मिलियन साल बाद - जो अपने स्वयं के क्लस्टर बनाने की प्रक्रिया में हो सकता है।
फ्रंटियर फील्ड्स छवियों का सावधानीपूर्वक अध्ययन आकाशगंगाओं को गुरुत्वाकर्षण या लेंसिंग द्वारा 50 गुना या उससे अधिक बढ़ाता है। ये प्रारंभिक ब्रह्मांड में अब तक देखी जाने वाली कुछ मंदाकिनियां हैं। इनमें से सबसे छोटी फॉरेन्क्स बौना, एक छोटी आकाशगंगा जैसी कुछ बन जाएगी जो मिल्की वे की परिक्रमा करती है और इसका द्रव्यमान लगभग एक हजारवां है। हालाँकि यह आकाशगंगा के मानकों से छोटा है, हम फ्रंटियर फील्ड्स से सीख रहे हैं कि शुरुआती ब्रह्मांड में बड़ी संख्या में छोटी आकाशगंगाएँ थीं। इतने सारे, वास्तव में, कि वे ब्रह्मांड के पहले अरब वर्षों में अधिकांश ऊर्जा के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।
हबल स्पेस टेलीस्कोप की क्षमताओं से हम कितनी दूर अतीत में देख सकते हैं, इसकी सीमा निर्धारित है। बहुत पहले आकाशगंगाओं को अंतरिक्ष के विस्तार से अवरक्त में अब तक स्थानांतरित कर दिया गया है कि हबल उन्हें नहीं देख सकता है। यह सब 2018 में बदल जाएगा जब हबल के उत्तराधिकारी, जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप, 2018 में लॉन्च होगा। एक बड़े दर्पण और अधिक संवेदनशील कैमरों के साथ जो आगे अवरक्त में देख सकते हैं, वेब हमें अतीत में और भी आगे बढ़ाने की अनुमति देगा। यहां तक कि बेहोश आकाशगंगाओं को भी देखें। आकाशगंगा समूहों में वेब को इंगित करके और हमारे लाभ के लिए गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग का उपयोग करके, हम उन सीमाओं को और भी आगे बढ़ा सकते हैं।
कुछ वर्षों में, हम अच्छी तरह से बनने वाली पहली आकाशगंगाओं को देख सकते हैं।
