Jednoho jarního dne roku 1936 nakráčel do budovy Národní akademie věd ve Washingtonu Čech Rudi Mandl. Radioinženýr se dožadoval rozhovoru s někým, kdo se mohl věnovat jeho myšlence na "experiment na ověření platnosti teorie relativity během zatmění hvězd" a pomohl mu o její platnosti přesvědčit profesionální astronomy.
Personál akademie byl z Mandla zřejmě poněkud nesvůj a s jeho nápadem si také zřejmě nevěděl rady. Koneckonců šlo spíše o oddělení pro propagaci vědy než o katedru fyziky. Nakonec se ho zbavili elegantně, odkázali ho na nepochybného odborníka na teorii relativity: Alberta Einsteina. Ten seděl v nedalekém Princentonu, a tak na akademii dali Mandlovi trochu peněz a vyslali ho na cestu.
Efekt gravitační čočky na schématické obrázku. Červené linky a kruh zobrazují, jaký bychom měli ze Země výhled, kdyby se světlo vlivem gravitace neohýbalo. Ve skutečnosti se ovšem přes "očkující" objekt světlo ohne a poskytne nám pohled, který bychom jinak mít neměli.
Na rozdíl od mnoha jiných fyziků, které se Mandl pokoušel oslovit, ho Einstein přijal a dal mu příležitost promluvit si o jeho nápadech. Český amatér chtěl fyziky nadchnout pro svou představu, že některé hmotné objekty ve vesmíru (třeba velké hvězdy) mohou sloužit jako "čočky" přibližující pozorovateli vzdálenější objekty ležící za nimi. Ohnou světlo z objektu za nimi tak, že objekty se pak jeví pozorovateli, který stojí za touto dvojicí, jako jasnější, než by měly být, kdyby se světlo z nich šířilo dokonale rovně.
Pro Einsteina to nemohl být sám o sobě nijak překvapivý nápad. Skutečnost, že v dostatečně silném gravitačním poli by se mělo ohýbat i světlo, vyplývá z jeho teorie relativity a Einstein o ní veřejně mluvil už o čtvrt století dříve, než k němu dorazil Mandl. V roce 1919 britští astronomové tento jev pozorovali při zatmění Slunce, a podali tak jeden z prvních důkazů o platnosti teorie relativity. Gravitační čočka měla být zvláštní případ tohoto jevu.
Mandl v podstatě tvrdil, že ve vesmíru je celkem běžné, že světlo vzdálených objektů je zesilováno (a také proměňováno, ale o tom později) hmotnými objekty. Proto se také domníval, že by šlo o velmi dobrý test teorie relativity, který by navíc umožnil zpřesnit naše porozumění a umožnit ověřit některé důležité detaily.
Einstein Mandla i přes jeho nedostatek fyzikální erudice vyslechl, o myšlence s ním zřejmě debatoval a mezi oběma se rozvinula krátká korespondence. V ní Mandl mimochodem představil i svou domněnku, že gravitací ohnuté záření koncentrované podobnou čočkou mohlo způsobit například vyhynutí dinosaurů. Tento nesmysl Einstein Mandlovi důrazně vymluvil, ale zbytek jeho teorie nakonec začal považovat za zdravý. Mandl svůj návrh podepřel i výpočty na slušné úrovni.
Na druhou stranu ovšem Einstein považoval nápad za nepříliš zajímavý a v mnoha ohledech nedotažený. Podle jeho názoru byla šance na pozorování podobného efektu gravitační čočky doslova zanedbatelná a nemělo smysl se tím zabývat. Během výměny dopisů a zpřesňování výpočtů jeho pesimismus snad poněkud ustoupil, protože vybídl Mandla k publikaci rovnic, které se měly pokusit určit, jak by efekt měl vypadat, za jakých okolností by měl vznikat a jak by měl být silný.
Zatím nejvzdálenější případ gravitační čočky zachycující obraz galaxie, jejíž světlo k nám putuje 9,4 miliardy let. Ve středu snímku je čočkující galaxie, kolem ní je tzv. Einsteinův kruh vytvořený z obrazu vzdáleného objektu, mladé galaxie o stáří 10-40 milionů let, plné nových a právě se rodících hvězd.
Gravitační čočky zpopularizoval už ve 30. letech v časopise Scientific American astronom Henry Norris Russell. Jejím nejčastějším projevem je "zmnožení" obrazu - v tomto případě do čtyř dalších obrazů. Pro tuto konfiguraci se zase vžil výraz Einsteinův kříž. Na to, že se Einstenovi do publikace o gravitačních čočkách nechtělo, je s nimi jeho jméno dnes spojeno velmi pevně.
Publikace s pomocí těžké váhy
Český inženýr ovšem ve vědeckých časopisech neprorazil. Poprosil tak slavného vědce, zda by se publikace myšlenky neujal sám, protože správně předpokládal, že ten bude mít cestu k publikaci podstatně snazší než fyzikální outsider a amatér. Einstein se nakonec podvolil a slíbil, že o gravitační čočce napíše do nějakého odborného časopisu. Ale nebylo to s ním tak jednoduché; český inženýr se musel o tři měsíce později připomenout americké Národní akademii věd, odkud ho k Einsteinovi poslali, aby slavného fyzika popostrčila ke splnění jeho slibu o publikaci.
V prosinci roku 1936 tak nakonec časopis Science otiskl krátký textík s Einsteinovým podpisem s rovnicemi popisujícími efekt "gravitační čočky" a zmínkou o Mandlově přínosu hned v první větě ("Před časem mne navštívil R. W. Mandl a požádal mne, abych zveřejnil výsledky krátkého výpočtu, který jsem na jeho žádost učinil. Touto poznámkou mu vyhovuji." Science 84 (1936), s. 506). Že sám Einstein celou záležitost považoval spíše za hříčku, se zdá nasvědčovat i jeho dopis do redakce Science, ve kterém píše: "Děkuji Vám za spolupráci s touto drobnou poznámkou, kterou ze mě pan Mandl vymámil. Nemá velkou cenu, ale učiní tomu hochovi radost." (překlad je dílem Ivana Boháčka z časopisu Vesmír)
I když v dopise Einstein dává najevo vůči Mandlovi trochu shovívavou lítost, němečtí historici Jürgen Renn a Tilman Sauer se ve svém článku (PDF zde) domnívají, že velkou roli hrálo i to, že Einstein sám si prožil léta, kdy byl považován za vědeckého outsidera a "cvoka", kterého nikdo nebere příliš vážně. Bylo to i během jeho pražských let (1911-1912), kdy si například během jedné své přednášky postěžoval, že nezná astronoma, který by byl ochoten jeho teoretické předpovědi ověřit pozorováním. Nakonec se stal Einstein hvězdou, ale jeho zážitky z raných let kariéry mohly hrát svou roli, stejně jako sympatie jednoho uprchlíka před nacistickým režimem k druhému.
Ať byla Einsteinova motivace jakákoliv, jeho práce vzbudila větší ohlas, než sám čekal. Představa gravitační čočky byla evidentně ve fyzikálním "podvědomí" své doby a zpětně lze dohledat zmínky o ní i v dílech jiných autorů před Einsteinovou publikací v Science (nikdo ovšem patrně nepřišel s nápadem dříve než Einstein ve svých nepublikovaných poznámkách z 10. let).
Snímek vzdálené modré galaxie zesílené (na snímku žlutou) galaxií LRG 3-757 v popředí. Ve většině případu gravitační čočka vyvolá v dalekohledech dojem "rozdvojení", ale v tomto případě jsou náhodou téměř přesně za sebou, že vznikl téměř dokonalý kruh.
Noticka publikovaná ve slavném časopise přinutila k práci i astronomy, především Švýcara Fritze Zwickyho, toho času v Kalifornském technologickém ústavu v Pasadeně. Zwicky při hodnocení možnosti pozorování jevu nebyl zdaleka takový skeptik jako Einstein. Ve dvou pracích pro časopis Physical Review uvedl, že gravitační čočky by byly vlastně velmi praktické nástroje pro pozorování objektů tak vzdálených, že bychom je jinak neviděli. Jinými slovy, že opravdu mohou fungovat jako čočky, samozřejmě jen za příhodných okolností. Uvědomoval si ovšem, že pozorovat tyto jevy není jednoduché a bude to chtít špičkové vybavení, čas a štěstí.
Kdo si počká, ten se dočká
Měl pravdu. Přímo pozorovat efekt gravitační čočky se skutečně podařilo více jak 40 let po zveřejnění práce, kterou Mandl "vymámil" z Einsteina. Bylo to v roce 1979 zásluhou anglo-amerického týmu. Pozoroval silný kosmický "vysílač", tzv. kvasar, s katalogovým číslem Q0957+561 (možná jde o objekt se supermasivní černou dírou ve středu, ale není to jisté). Při pohledu ze Země se zdá, že jde o objekt dvojitý, ale to je dáno jen tím, že mezi námi a Q0957+561 leží galaxie, která obraz rozdvojí.
Od té doby se efekt gravitační čočky podařilo pozorovat mnohokrát, přičemž jedno zajímavé pozorování se uskutečnilo v posledních týdnech a můžete si ho prohlédnout na videu v záhlaví článku.
Jde o skromnější variantu velkých gravitačních čoček, které zesilují celé galaxie či jiné podobné velké objekty. Roli v něm hrají jen jednotlivé nebeské objekty, ne jejich masivní seskupení, a proto spadá do třídy tzv. mikročoček. Pozorování je dílem vesmírného teleskopu Kepler americké NASA, který je specializovaný na hledání planet u jiných hvězd.
Hledá je tak, že měří drobounké výkyvy jasnosti při přechodu těchto planet přes samotnou hvězdu. V případě jedné hvězdy ovšem zachytil jev přímo opačný: malé zvýšení jasu v pravidelných intervalech. Objekt nazvaný KOI-3278 (KOI je zkratka "Kepler Object of Interest", tedy "Keplerův předmět zájmu") se pravidelně jednou za 88 dnů "přisvěcoval" o 0,1 procenta. Z tohoto a dalších údajů vědci dokázali dopočítat, co je v pozadí jevu.
Jak se zjistilo, může za to malý bílý trpaslík. KOI-3278 je ve skutečnosti dvojhvězdou, ve které větší partner je parametry velmi podobný Slunci, menším je pak velmi slabá hvězdy typu "bílý trpaslík". Ta má hmotnost kolem 60 procent Slunce, ale průměr jen jedno procento průměru Slunce. V gravitačním poli tak hustého objektu se světlo ohýbá velmi silně, a díky tomu je efekt gravitační čočky velmi silný a pro dalekohled Kepler snadno pozorovatelný. Ale to v době, kdy mu na dveře zaklepal Rudi Mandl se svým "bláznivým" nápadem, nemohl Einstein vědět.
Poznámka: Opravili jsme popisek u snímku, podle kterého nesprávně šlo o snímek galaxie o odhadovaném stáří 13,8 mld. let. Správně má být 9,4 mld. let; 13,8 mld. let je odhadované stáří vesmíru. Za chybu se omlouváme.
