عکس/ جیمز وب برای اولین‌بار تصویری از پدیده «زیگزاگ اینشتین» منتشر کرد

اخترشناسان می‌توانند از این پدیده نادر برای حل دو معمای بزرگ کیهان‌شناسی، یعنی ثابت هابل و وضعیت ماده تاریک، استفاده کنند.

اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب توانسته‌اند برای اولین بار یک پدیده نجومی به نام «زیگزاگ اینشتین» را مشاهده کنند. به بیان ساده‌تر جیمز وب تصویری را منتشر کرده که در آن یک اختروش در شش نقطه متفاوت دیده می‌شود. این پدیده به‌لطف یک «همگرایی گرانشی» ممکن شده است که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه‌اش را ارائه داد.

اخترشناسان این سیستم را J۱۷۲۱+۸۸۴۲ نامیده‌اند که در آن نور یک اختروش (یک هسته کهکشانی بسیار پرنور) از گرانش دو کهکشان با فاصله زیاد و جای‌گیری دقیق عبور کرده است. این پدیده بسیار نادر نه تنها یک نمونه عالی از نظریه نسبیت عام اینشتین درباره گرانش محسوب می‌شود، بلکه از نوع یک زیگزاگ است که خصوصیات آن در همگرایی‌های گرانشی متداول وجود ندارد.

اولین زیگزاگ اینشتین ممکن است دانشمندان را در حل دو راز بزرگ کیهان‌شناسی راهنمایی کند. اولین راز مربوط به انرژی تاریک است؛ نیرویی که موجب شتاب‌گرفتن انبساط کیهان می‌شود و حدود ۷۰ درصد انرژی موجود در کیهان را تشکیل می‌دهد. دومی، اختلاف‌نظر دانشمندان در اندازه‌گیری نرخ انبساط کیهان یا ثابت هابل است.

همگرایی گرانشی زمانی رخ می‌دهد که نور در مسیر خود از نزدیکی یک جسم بسیار پرجرم عبور می‌کند که فضا-زمان را به‌شدت خم کرده است. به این ترتیب، نور از چند مسیر با طول متفاوت به ما می‌رسد، و چند بار و در زمان‌های مختلف در یک تصویر تلسکوپ ظاهر می‌شود.

تصاویری که با همگرایی گرانشی ایجاد می‌شوند، انواع مختلفی دارند؛ ازجمله حلقه‌های اینشتین، صلیب‌های اینشتین، و در مورد نادر فعلی، زیگزاگ اینشتین.

اشیائی که نورشان از اثر همگرایی گرانشی یک کهکشان عبور می‌کند، معمولاً دو یا چهار بار در یک تصویر تلسکوپ ظاهر می‌شوند. اما در این تصویر، نور اختروش از دو کهکشان عبور کرده است و یک آرایش شش‌تایی ایجاد شده است. این آرایش زیگزاگ اینشتین نام دارد، زیرا در دوتا از این تکرارها، نور از یک سمت کهکشان اول و از سمت دیگر کهکشان دوم عبور کرده است.

اخترشناسان قبلاً J۱۷۲۱+۸۸۴۲ را پیدا کرده بودند، اما به‌نظر می‌رسید که اختروش تنها چهار بار در آن تکرار می‌شود. حساسیت بالای تلسکوپ فضایی جیمز وب هر شش تکرار اختروش را در آن نشان داد.

کاربرد زیگزاگ اینشتین در حل رازهای کیهان‌شناختی
اخترشناسان درحال کار روی J۱۷۲۱+۸۸۴۲ هستند تا ثابت هابل را اندازه‌گیری کنند. اکثر اختروش‌هایی که دچار همگرایی شده‌اند برای این منظور کاربرد دارند، اما وجود دو همگرایی اضافی و متفاوت در این تصویر باعث می‌شود تا دقت اندازه‌گیری بالاتر برود.

اختلاف‌نظر دانشمندان در مقدار ثابت هابل یک معمای بزرگ است که «تنش هابل» نام دارد. روی کاغذ، اندازه‌گیری این ثابت از طریق خصوصیات کیهان اولیه و برون‌یابی آن برای زمان حال، و اندازه‌گیری آن از طریق خصوصیات کیهان نزدیک ما، باید به یک مقدار برابر منجر شوند. اما درحال‌حاضر چنین نیست.

این اختلاف ممکن است ناشی از خطای اندازه‌گیری در یکی از این دو روش، یا هردو آن‌ها، باشد. به همین علت دانشمندان دنبال روش‌هایی هستند که بتوانند این خطاها را شناسایی و رفع کنند. زیگزاگ اینشتین یکی از پدیده‌هایی است که آن‌ها می‌توانند از آن برای کاهش عدم‌قطعیت استفاده کنند.

یکی دیگر از کاربردهای این پدیده این است که می‌توان از آن برای مقیدکردن معادله وضعیت انرژی تاریک کیهان استفاده کرد. بنابراین دانشمندان می‌توانند هم معادله انرژی تاریک و هم ثابت هابل را با J۱۷۲۱+۸۸۴۲ تعیین کنند؛ کاری که معمولاً به‌صورت همزمان ممکن نیست.

البته این هدف نیازمند کار نظری و توسعه زیرساخت‌های فنی است و دانشمندان هنوز نمی‌توانند این دو مقدار را بدون خطا محاسبه کنند. آن‌ها پیش‌نویس مقاله خود را در arXiv منتشر کرده‌اند.