Samme regler for reflekser i kaffekoppen og linser i kosmos

Forskere oppdager matematiske prinsipper som forklarer gravitasjonslinsefenomener

Gravitasjonslinser: Forvrengningen av lys som stammer fra fjernere galakser kan sees. Galaksen virker flate. © NASA
lese høyt

Hva har lys og skygge på overflaten av morgenkaffen å gjøre med fjerne galakser og tyngdekraft? Kanskje mer enn du tror. Fordi amerikanske forskere presenterer i tidsskriftet "Mathematical Physics" et nyoppdaget universelt prinsipp som kombinerer begge deler og muligens kan bidra til å bedre kunne identifisere mørk materie i kosmos i fremtiden.

Lysstråler reflekteres av buede overflater, for eksempel det indre av en kaffekopp, i et buet, bladlignende mønster. I sentrum konsentrerer den seg om ett punkt og er den lyseste på kantene, det såkalte fokalplanet. "Dette skjer ofte fordi lysstrålene samles i kurvene, " forklarer Arlie Petters, professor i matematikk og fysikk ved Duke University. I hverdagen møter vi brennflatene nesten overalt der vann er involvert, for eksempel i lysrefleksjonene i svømmebassenget eller langs et båtskrog. Allerede Leonardo da Vinci kjente og tegnet slike Brennflächen på begynnelsen av 1500-tallet.

Brennende overflater også i kosmos

Imidlertid forekommer slike overflater også i kosmiske fenomener, for eksempel gravitasjonslinser. Disse oppstår når en veldig massiv gjenstand passerer foran fjerne stjerner. Objektets tyngdekraft er da så sterk at den til og med bøyer og forvrenger lyset fra disse stjernene. I likhet med de brennende flatene på jorden virker noen områder av det forvrengte bildet lysere; i noen tilfeller opprettes flere forstørrede kopier av den opprinnelige bakgrunnsstjernen.

Følger lysbildene på stjernebildene en regel?

Petters og hans kollega Amir Aazami hadde tidligere funnet i teleskopdataanalyser at i tilfeller der lyskilden ligger i en drivstoffbue, produseres to uvanlig nært kopier med like lysstyrke. Siden disse "klonene" er like lyse, gir subtraksjonen av en av de andre lysstyrken nøyaktig null. Men hva skjer i andre tilfeller? Hvilken regel følger anslagene? For å finne ut av dette gjennomførte Aazami ytterligere analyser av astronomiske data.

"Null" var nøkkelen

Aazami brukte et dataprogram for å teste ut et spesielt tilfelle av det brennbare teoremet med det kryptiske navnet "ellyptisk navlestreng" da han la merke til et mønster: "Det gjorde null igjen og igjen, " forklarer forskeren. Uansett hvilket scenario han prøvde. "Så jeg tenkte: 'Det må være en feil'. Og startet igjen og igjen og igjen, jeg fikk null. Og så kom øyeblikket der det plutselig var fornuftig. Det var Aha! øyeblikk. Display

Da forskeren fortalte dette til sin professor, innså han at doktorgradsstudenten hans hadde møtt et universelt matematisk prinsipp som til og med beskriver den tilsynelatende kaotiske lysdiffraksjonen av gravitasjonslinser. "Det er utrolig at det vi ser i en kaffekopp er et matematisk teorem som også beskriver fenomener i kosmos, " sa Aazami.

Universelt prinsipp sikrer lysstyrkekompensasjon

Hvis en slik linse for eksempel gir et firedoblet bilde av en stjerne med forskjellige lysstyrker, tilsvarer den relative svakheten til en av dem den relativt økte lysstyrken til de andre, slik at de avbryter hverandre. "Det er fantastisk at de balanserer hverandre, " forklarer Petters. "Dette gjelder veldig kompleks matematikk."

For den enkle gravitasjonslinsediffraksjonen har forskerne allerede forberedt sitt nye teorem, nå venter de på det nye "Low Synoptic Survey Telescope" (LSST), som for tiden bygges i Chile, for å gi mer nøyaktige data også fra de mer komplekse forbrenningsfenomenene av høyere orden. "Vi er veldig sikre på at disse universelle konstantene også vil dukke opp i LSST-dataene, " sier Petters.

Mørk materie blir synlig som teorembrudd

Det nye teoremet kan også hjelpe med utforskningen av mørk materie. Hvis det er to tett innbyrdes fordelte bilder med forskjellig lysstyrke ved brennpunktene med høyere oppløsning, så er teoremet ødelagt, forklarer Petters. Årsaken vil da være en understruktur i galaksen. For eksempel kan dette være mørk materie, som påvirker et av bildene og endrer dens forstørrelse eller lysstyrke.

(Duke University, 16.04.2009 - NPO)