Att titta in i universum är som att titta in i en funhouse-spegel. Det beror på att gravitationen förvränger rymdens struktur, skapa optiska illusioner.

Många av dessa optiska illusioner uppstår när ljuset i en avlägsen galax förstoras, sträckt, och ljusnade när den passerar genom en massiv galax eller galaxhop framför sig. Detta fenomen, kallad gravitationslinsning, producerar flera, sträckt, och ljusare bilder av bakgrundsgalaxen.

Detta fenomen gör det möjligt för astronomer att studera galaxer så långt borta att de inte kan ses annat än genom effekterna av gravitationslinser. Utmaningen är att försöka rekonstruera de avlägsna galaxerna från de udda former som produceras av linser.

Men astronomer som använde rymdteleskopet Hubble snubblade över en sådan udda form när de analyserade kvasarer, de flammande kärnorna i aktiva galaxer. De såg två ljusa, linjära objekt som verkade vara spegelbilder av varandra. Ett annat udda föremål fanns i närheten.

Funktionerna gjorde astronomerna så förvirrade att det tog dem flera år att reda ut mysteriet. Med hjälp av två experter på gravitationslinser, forskarna fastställde att de tre objekten var de förvrängda bilderna av en fjärran, oupptäckt galax. Men den största överraskningen var att de linjära objekten var exakta kopior av varandra, en sällsynt händelse orsakad av den exakta inriktningen av bakgrundsgalaxen och linsklustret i förgrunden.

Astronomer har sett några ganska konstiga saker utspridda över vårt enorma universum, från exploderande stjärnor till kolliderande galaxer. Så, du skulle kunna tro att när de ser ett konstigt himlaobjekt, de skulle kunna identifiera det.

Men NASA:s rymdteleskop Hubble avslöjade vad som verkar vara ett par identiska föremål som ser så konstiga ut att det tog astronomer flera år att avgöra vad de är.

"Vi blev riktigt förbannade, " sa astronomen Timothy Hamilton från Shawnee State University i Portsmouth, Ohio.

De udda objekten består av ett par galaxutbuktningar (den centrala stjärnfyllda navet i en galax) och minst tre nästan parallella delade strimmor. Hamilton upptäckte dem av en slump när han använde Hubble för att kartlägga en samling kvasarer, de flammande kärnorna i aktiva galaxer.

Efter att ha jagat återvändsgrändsteorier, be om hjälp från kollegor, och gör massor av huvudet, Hamilton och det växande teamet, ledd av Richard Griffiths från University of Hawaii i Hilo, äntligen sammanställt alla ledtrådar för att lösa mysteriet.

De linjära objekten var de utsträckta bilderna av en avlägsen galax med gravitationslinser, ligger mer än 11 ​​miljarder ljusår bort. Och, de verkade vara spegelbilder av varandra.

Teamet upptäckte att den enorma allvaret av ett ingripande, och okatalogiserat, förgrundskluster av galaxer förvrängde rymden, förstoring, ljusare, och sträcker ut bilden av en avlägsen galax bakom den, ett fenomen som kallas gravitationslinsning. Även om Hubble-undersökningar avslöjar många av dessa funhouse-spegelförvrängningar orsakade av gravitationslinser, detta objekt var unikt förbryllande.

I detta fall, en exakt anpassning mellan en bakgrundsgalax och en galaxhop i förgrunden producerar dubbla förstorade kopior av samma bild av den avlägsna galaxen. Detta sällsynta fenomen uppstår eftersom bakgrundsgalaxen gränsar en krusning i rymden. Denna "krusning" är ett område med störst förstoring, orsakad av gravitationen av täta mängder mörk materia, det osynliga limmet som utgör det mesta av universums massa. När ljus från den avlägsna galaxen passerar genom klustret längs denna krusning, två spegelbilder produceras, tillsammans med en tredje bild som kan ses åt sidan.

Griffiths jämför denna effekt med de ljusa vågiga mönstren som ses på botten av en pool. "Tänk på den krusade ytan på en pool en solig dag, visar mönster av starkt ljus på botten av poolen, " förklarade han. "Dessa ljusa mönster på botten orsakas av en liknande typ av effekt som gravitationslinser. Krusningarna på ytan fungerar som partiella linser och fokuserar solljus till ljusa snirkliga mönster på botten."

I den gravitationslinsade avlägsna galaxen, krusningen förstorar kraftigt och förvränger ljuset från bakgrundsgalaxen som passerar genom klustret. Krusningen fungerar som en ofullständig kurvig spegel som genererar de dubbla kopiorna.

Att lösa mysteriet

Men detta sällsynta fenomen var inte välkänt när Hamilton upptäckte de konstiga linjära dragen 2013.

När han tittade igenom kvasarbilderna, ögonblicksbilden av de spegelvända bilderna och parallella ränderna stack ut. Hamilton hade aldrig sett något liknande förut, och ingen av dem hade andra lagmedlemmar.

"Min första tanke var att de kanske samverkade med galaxer med tidvattensträckta armar, " sa Hamilton. "Det passade inte riktigt bra, men jag visste inte vad jag skulle tänka mer."

Så Hamilton och teamet började sin strävan att lösa mysteriet med dessa lockande raka linjer, senare dubbade Hamiltons objekt för dess upptäckare. De visade den märkliga bilden för kollegor på astronomikonferenser, som väckte en mängd olika svar, från kosmiska strängar till planetariska nebulosor.

Men så Griffiths, som inte var medlem i det ursprungliga laget, erbjöd den mest rimliga förklaringen när Hamilton visade honom bilden vid ett NASA-möte 2015. Det var en förstorad och förvrängd bild som orsakades av ett linsfenomen som liknar de som ses i Hubble-bilder av andra massiva galaxhopar som förstärker bilder av mycket avlägsna galaxer . Griffiths bekräftade denna idé när han fick reda på ett liknande linjärt objekt i en av Hubbles djupklusterundersökningar.

Forskarna, dock, hade fortfarande ett problem. De kunde inte identifiera linsklustret. I vanliga fall, astronomer som studerar galaxhopar ser först förgrundshopen som orsakar linsen, och hitta sedan de förstorade bilderna av avlägsna galaxer i klustret. En sökning av bilderna från Sloan Digital Sky Survey visade att en galaxhop fanns i samma område som de förstorade bilderna, men det dök inte upp i någon katalogiserad undersökning. Ändå, det faktum att de konstiga bilderna var i mitten av ett kluster gjorde det klart för Griffiths att klustret producerade de linserade bilderna.

Forskarnas nästa steg var att avgöra om de tre linsbilderna var på samma avstånd, och därför var alla förvrängda porträtt av samma avlägsna galax. Spektroskopiska mätningar med Gemini och W. M. Keck observatorier på Hawaii hjälpte forskarna att göra den bekräftelsen, som visar att linsbilderna kom från en galax som ligger mer än 11 ​​miljarder ljusår bort.

Den avlägsna galaxen, baserat på en rekonstruktion av den tredje linsbilden, verkar vara en edge-on, spärrad spiral med pågående, klumpig stjärnbildning.

Ungefär samtidigt som de spektroskopiska observationerna av Griffiths och studenter i Hilo, en separat grupp forskare i Chicago identifierade klustret och mätte dess avstånd med hjälp av Sloan-data. Klustret ligger mer än 7 miljarder ljusår bort.

Men, med väldigt lite information om klustret, Griffiths team kämpade fortfarande med hur de skulle tolka dessa ovanliga linsformer. "Denna gravitationslins skiljer sig mycket från de flesta linser som studerades tidigare av Hubble, särskilt i Hubble Frontier Fields undersökning av kluster, ", förklarade Griffiths. "Du behöver inte stirra på dessa kluster länge för att hitta många linser. I detta objekt, detta är det enda objektivet vi har. Och vi visste inte ens om klustret först."

Kartläggning av det osynliga

Det var då Griffiths ringde en expert på gravitationslins teori, Jenny Wagner från universitetet i Heidelberg i Tyskland. Wagner hade studerat liknande föremål, och med kollega Nicolas Tessore, nu vid University of Manchester i England, utvecklat datorprogram för att tolka unika linser som denna. Deras programvara hjälpte teamet att ta reda på hur alla tre linsbilder kom till. De kom fram till att den mörka materien runt de utsträckta bilderna måste fördelas "jämnt" i rymden i små skalor.

"Det är bra att vi bara behöver två spegelbilder för att få skalan på hur klumpig eller inte mörk materia kan vara i dessa positioner, " sa Wagner. "Här, vi använder inga linsmodeller. Vi tar bara de observerbara bilderna och det faktum att de kan omvandlas till varandra. De kan vikas in i varandra enligt vår metod. Detta ger oss redan en uppfattning om hur smidig den mörka materien behöver vara vid dessa två positioner."

Detta resultat är viktigt, Griffiths sa, eftersom astronomer fortfarande inte vet vad mörk materia är, nästan ett sekel efter upptäckten. "Vi vet att det är någon form av materia, men vi har ingen aning om vad den ingående partikeln är. Så vi vet inte alls hur det beter sig. Vi vet bara att den har massa och är föremål för gravitation. Betydelsen av storleksgränserna för klumpningen eller jämnheten är att det ger oss några ledtrådar om vad partikeln kan vara. Ju mindre mörk materia klumpar sig, desto mer massiva måste partiklarna vara."