Seratus tahun yang lalu, Albert Einstein memperkenalkan cara berpikir radikal baru tentang kekuatan gravitasi. Teori relativitas umumnya menyatakan bahwa ruang bukanlah arena kosong tempat peristiwa-peristiwa alam semesta terjadi — tetapi partisipan aktif dalam peristiwa-peristiwa itu.
Menurut relativitas umum, segala sesuatu yang memiliki massa — bintang, planet, dan berang-berang — mendistorsi ruang di sekitarnya, menyebabkannya melengkung. Benda melengkung ruang, dan kelengkungan itu memberi tahu orang lain bagaimana cara bergerak. Kita manusia tidak diperlengkapi untuk membayangkan ruang tiga dimensi melengkung, jadi inilah analogi dua dimensi: jika bola berat diletakkan di atas trampolin, permukaan trampolin akan menekuk. Jika Anda menggulung kelereng di permukaan trampolin, jalurnya akan melengkung. Ini analogi yang tidak sempurna, tetapi menyampaikan gagasan umum. Prinsip ini adalah mengapa Bumi mengikuti jalur melengkung mengelilingi Matahari dan Bulan mengikuti jalur melengkung mengelilingi Bumi.
Fitur utama dari relativitas umum adalah bahwa kelengkungan ruang memengaruhi lintasan cahaya juga materi. Efek ini dikenal sebagai "pelensaan gravitasi." Ini ternyata berbeda dengan cara cahaya berperilaku di bawah gravitasi Newton, jadi penggunaan segera pelensaan gravitasi adalah untuk menguji apakah relativitas umum itu nyata. Ini juga ternyata sangat berguna untuk mempelajari sudut-sudut paling jauh dari alam semesta, karena menyebabkan gambar galaksi yang jauh diperbesar.
Bagaimana cara kerja pelensaan gravitasi? Jika cahaya yang bergerak ke arah kita dari suatu bintang yang jauh melewati benda besar lainnya — katakanlah, bintang atau galaksi lain — cahaya itu dibelokkan, dan jalurnya diubah. Ketika cahaya itu mencapai Bumi, ia tampaknya datang dari arah yang berbeda dari jalur aslinya. Kita melihat bintang berada di posisi yang berbeda di langit daripada di mana ia sebenarnya berada. Pergerakan jelas bintang latar ini persis dua kali lipat dari apa yang akan Anda lihat dalam gravitasi Newton; karenanya, ia menyediakan cara sederhana untuk menguji teori Einstein.
Namun, untuk mengukur seberapa banyak gambar bintang bergerak, Anda harus dapat mengamatinya sebelum dan sesudah cahayanya dibelokkan oleh massa yang ikut campur. Kita biasanya tidak memiliki pilihan untuk menjauh dari Bumi untuk melihat bintang-bintang yang jauh dari dua sudut yang berbeda, tetapi kita dapat mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa kita bergerak mengelilingi matahari.
Jika kita mengamati bintang di bagian langit yang berlawanan dari matahari, kita melihat posisinya yang "benar". Enam bulan kemudian, bintang itu akan berada di bagian yang sama dengan matahari, dan kita dapat mengukur seberapa banyak cahaya bintang itu dibelokkan oleh massa matahari. Kita biasanya tidak dapat mengamati bintang ketika mereka dekat dengan matahari karena itu siang hari ketika matahari terbit. Tetapi dalam keadaan tertentu, kita bisa. Ada satu waktu ketika matahari terbit, tetapi sinar matahari terhalang: gerhana matahari total.
Pada Mei 1919, para astronom melihat sekilas gerhana matahari yang terlihat dari bagian Afrika dan Amerika Selatan. Untuk memaksimalkan peluang mengamati gerhana dengan sukses, dua tim dikirim untuk mengamatinya: satu ke Brasil dan satu, dipimpin oleh Sir Arthur Eddington, ke pulau Principe di lepas pantai Afrika Barat. Meskipun sebagian awan tertutup, tim Eddington berhasil. Lendutan cahaya yang mereka ukur dari bintang-bintang di gugus Hyades sangat cocok dengan teori Einstein.
Selama gerhana matahari total pada tanggal 29 Mei 1919, Sir Arthur Eddington (kanan) mengkonfirmasi Teori Relativitas Umum Einstein dengan menghitung lendutan cahaya bintang di sebelah matahari. (AKG) Penemuan ini sangat penting. "LAMPU SEMUA YANG DIMINTA DI SURGA. EINSTEIN TRIUMPHS TEORI, " kata New York Times. (Ia menambahkan: "Orang-orang Ilmu Pengetahuan Lebih atau Kurang Agog Atas Hasil Pengamatan Eclipse.") Konfirmasi memberikan momen persatuan di dunia yang terkoyak oleh perang; seperti dicatat oleh Fisikawan JP McEvoy dalam bukunya 1999 Eclipse, "sebuah teori baru tentang alam semesta, gagasan seorang Yahudi Jerman yang bekerja di Berlin, dikonfirmasi oleh Quaker Inggris di sebuah pulau kecil di Afrika."
Baru pada tahun 1936 seorang astronom Swiss bernama Fritz Zwicky menyadari potensi pelensaan gravitasi sebagai alat untuk mempelajari alam semesta di luar lingkungan bintang kita. Ketika menghitung massa gugusan galaksi — yang dikenal pada saat itu sebagai nebula ekstragalaktik — Zwicky mencatat bahwa ada peluang bagus galaksi yang lebih jauh yang terletak di belakangnya akan memiliki cahaya yang dibelokkan saat melewati gugusan ini. Pada tahun 1937, ia menulis bahwa efek ini "akan memungkinkan kita untuk melihat nebula pada jarak yang lebih besar daripada yang biasanya dicapai oleh teleskop terbesar sekalipun."
Kunci dari konsep ini adalah fitur pelensaan gravitasi yang membuatnya sangat berguna: Cahaya yang seharusnya diarahkan menjauh dari kita diputar ke arah kita, yang berarti bahwa kita melihat lebih banyak cahaya dari sumber lensa daripada biasanya. Dengan kata lain, galaksi jauh yang kebetulan berada di belakang objek besar diperbesar. Dan karena gugusan galaksi adalah struktur paling masif di alam semesta, mereka adalah kacamata pembesar terbaik yang ditawarkan alam.
Selama hampir 50 tahun, saran Zwicky hanya mendapat sedikit perhatian. Galaksi-galaksi berpotensial potensial, bagaimanapun, terlalu samar untuk dilihat. Itu berubah pada 1980-an, ketika pengembangan perangkat pencitraan digital pertama menggantikan pelat fotografi dan secara dramatis meningkatkan sensitivitas teleskop terhadap sumber yang redup.
Pada tahun 1986, busur memanjang yang dramatis ditemukan di gugusan galaksi Abell 370. Busur merah panjang dalam gambar ini ternyata dua kali lebih jauh dari gugusan itu sendiri: itu adalah galaksi latar belakang — sebuah spiral seperti halnya Bima Sakti— yang cahayanya telah terdistorsi oleh massa gugusan, merentangkannya menjadi busur besar ini. Satu dekade kemudian, galaksi lensa lain memecahkan rekor untuk objek paling jauh yang dikenal, pertama kali sejak 1960-an bahwa galaksi biasa — bukan quasar, objek paling terang di alam semesta — telah memegang rekor itu.
Gambar Hubble Space Telescope yang telah lama terpapar dari gugusan galaksi raksasa Abell 2744 (latar depan) adalah yang terdalam yang pernah dibuat dari gugusan galaksi mana pun. (NASA / ESA) Pada tahun 2009, peluncuran Teleskop Luar Angkasa Hubble (HST) memberikan gambar paling sensitif yang pernah diperoleh dari alam semesta yang jauh, dan misi servis terakhirnya menambahkan kamera inframerah-dekat yang sangat sensitif. Saat ini sedang berlangsung dengan Hubble adalah program baru yang berjanji untuk mendorong batas pandangan kita ke alam semesta lebih jauh: program Hubble Frontier Fields.
Gagasan di balik program ini adalah untuk melakukan pengamatan yang sangat mendalam yang mengungkapkan galaksi yang paling samar, paling jauh - tetapi secara strategis ditujukan pada kelompok galaksi sehingga mendapatkan manfaat dari efek pembesaran dari pelensaan gravitasi. Program ini akan mencakup enam cluster galaksi besar secara total, lima di antaranya telah diselesaikan hingga saat ini. Ilmuwan utama pada proyek Frontier Fields, Jen Lotz, menggambarkannya sebagai "pandangan terdalam tentang alam semesta yang pernah diambil."
"The Frontier Fields adalah eksperimen, " kata Matt Mountain, presiden Asosiasi Universitas untuk Penelitian Astronomi (AURA) dan mantan direktur Space Telescope Science Institute yang mengoperasikan Hubble. Pertanyaan inti percobaan: "Bisakah kita menggunakan kualitas gambar Hubble yang luar biasa dan teori Relativitas Umum Einstein untuk mencari galaksi pertama?"
Analisis awal Field Perbatasan pertama telah mulai menghasilkan banyak wawasan tentang alam semesta awal. Jauh di belakang cluster pertama, Abell 2744, kami telah menemukan gambar yang diperbesar dari sekelompok galaksi di alam semesta awal - hanya beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang - yang mungkin sedang dalam proses membentuk sebuah cluster mereka sendiri.
Studi yang cermat terhadap gambar Frontier Fields mengungkapkan galaksi diperbesar 50 kali atau lebih dengan pelensaan gravitasi. Ini adalah beberapa galaksi yang paling samar yang pernah terlihat di alam semesta awal. Yang terkecil darinya akan menjadi sesuatu seperti kerdil Fornax, sebuah galaksi kecil yang mengorbit Bima Sakti dan sekitar seperseribu massanya. Meskipun itu kecil dari standar galaksi, kita belajar dari Frontier Fields bahwa ada sejumlah besar galaksi kecil di alam semesta awal. Begitu banyak, pada kenyataannya, bahwa bersama-sama mereka mungkin bertanggung jawab atas sebagian besar energi dalam miliaran tahun pertama alam semesta.
Batas seberapa jauh ke masa lalu yang dapat kita lihat ditentukan oleh kemampuan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Galaksi-galaksi pertama memiliki cahayanya bergeser sejauh ini ke inframerah oleh perluasan ruang yang Hubble tidak bisa melihatnya. Ini semua akan berubah pada 2018 ketika penerus Hubble, James Webb Space Telescope, diluncurkan pada 2018. Dengan cermin yang lebih besar dan kamera yang lebih sensitif yang dapat melihat lebih jauh ke dalam inframerah, Webb akan memungkinkan kita untuk mengintip lebih jauh ke masa lalu, dan untuk lihat galaksi yang bahkan lebih redup. Dengan mengarahkan Webb pada kluster galaksi dan menggunakan pelensaan gravitasi untuk keuntungan kita, kita dapat mendorong batasan itu lebih jauh lagi.
Hanya dalam beberapa tahun, kita mungkin melihat galaksi pertama yang pernah terbentuk.
