Гравитационная линза - Gravitational lens

Источник света проходит за гравитационной линзой (точечная масса, расположенная в центре изображения). Водяной круг - это источник света, который можно было бы увидеть, если бы не было линзы, а белые пятна - это множественные изображения источника (см. Кольцо Эйнштейна ).

Гравитационная линза представляет собой распределение вещества (например, скопления галактик ) между удаленным источником света и наблюдателем, который способен сгибая свет от источника , как свет проходит по направлению к наблюдателю. Этот эффект известен как гравитационная линза , а величина изгиба является одним из предсказаний Альберта Эйнштейн «с общей теорией относительности . ( Классическая физика также предсказывает искривление света, но только половину того, что предсказывает общая теория относительности.)

Хотя Эйнштейн провел неопубликованные вычисления по этому поводу в 1912 году, Оресту Хвольсону (1924) и Франтишеку Линку (1936) обычно приписывают то, что они первыми обсудили этот эффект в печати. Однако этот эффект чаще связывают с Эйнштейном, который опубликовал статью на эту тему в 1936 году.

В 1937 году Фриц Цвикки утверждал, что этот эффект может позволить скоплениям галактик действовать как гравитационные линзы. Только в 1979 году этот эффект был подтвержден наблюдением так называемого Twin QSO SBS 0957 + 561.

Описание

Гравитационное линзирование - промежуточная галактика изменяет внешний вид галактики далеко позади нее (видео; концепция художника).
Это схематическое изображение показывает, как свет из далекой галактики искажается гравитационными эффектами галактики переднего плана, которая действует как линза и заставляет далекий источник казаться искаженным, но увеличенным, образуя характерные световые кольца, известные как кольца Эйнштейна.
Анализ искажения SDP.81, вызванного этим эффектом, выявил звездообразующие сгустки вещества.

В отличие от оптической линзы , точечная гравитационная линза обеспечивает максимальное отклонение света, проходящего ближе всего к его центру, и минимальное отклонение света, который распространяется дальше всего от его центра. Следовательно, у гравитационной линзы нет единой точки фокусировки , а есть линия фокусировки. Термин «линза» в контексте гравитационного отклонения света был впервые использован О. Дж. Лоджем, который заметил, что «недопустимо говорить, что солнечное гравитационное поле действует как линза, поскольку у него нет фокусного расстояния». Если источник (света), массивный линзирующий объект и наблюдатель лежат на прямой линии, исходный источник света будет выглядеть как кольцо вокруг массивного линзирующего объекта (при условии, что линза имеет круговую симметрию). Если есть какое-либо несовпадение, наблюдатель вместо этого увидит сегмент дуги. Это явление было впервые упомянуто в 1924 году петербургским физиком Орестом Хвольсоном и количественно определено Альбертом Эйнштейном в 1936 году. В литературе оно обычно упоминается как кольцо Эйнштейна , поскольку Хвольсон не интересовался потоком или радиусом изображение кольца. Чаще всего, когда линзирующая масса сложна (например, группа или скопление галактик ) и не вызывает сферического искажения пространства-времени, источник будет напоминать частичные дуги, рассеянные вокруг линзы. Тогда наблюдатель может увидеть несколько искаженных изображений одного и того же источника; их количество и форма зависят от относительного положения источника, линзы и наблюдателя, а также от формы гравитационной ямы линзирующего объекта.

Существует три класса гравитационного линзирования:

Сильное линзирование
Где есть легко видимые искажения, такие как образование колец Эйнштейна , дуг и множественных изображений. Несмотря на то, что этот эффект считается «сильным», эффект в целом относительно невелик, так что даже галактика с массой более чем в 100 миллиардов раз больше массы Солнца будет давать несколько изображений, разделенных всего несколькими угловыми секундами . Скопления галактик могут давать расстояние в несколько угловых минут. В обоих случаях галактики и источники находятся довольно далеко, на многие сотни мегапарсеков от нашей Галактики.
Слабое линзирование
Где искажения фоновых источников намного меньше и могут быть обнаружены только путем анализа большого количества источников статистическим способом, чтобы найти когерентные искажения всего в несколько процентов. Линзирование статистически проявляется как предпочтительное растяжение фоновых объектов перпендикулярно направлению к центру линзы. Измеряя форму и ориентацию большого числа далеких галактик, их ориентации можно усреднить для измерения сдвига линзирующего поля в любой области. Это, в свою очередь, может быть использовано для восстановления распределения массы в области: в частности, можно восстановить фоновое распределение темной материи . Поскольку галактики по своей природе эллиптические, а слабый сигнал гравитационного линзирования невелик, в этих обзорах необходимо использовать очень большое количество галактик. Эти обзоры с использованием слабого линзирования должны тщательно избегать ряда важных источников систематических ошибок : необходимо понимать внутреннюю форму галактик, тенденцию функции рассеяния точки камеры искажать форму галактики и тенденцию атмосферного видения искажать изображения и тщательно учтены. Результаты этих обзоров важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и улучшения модели лямбда-CDM , а также для проверки согласованности других космологических наблюдений. Они также могут стать важным сдерживающим фактором для темной энергии в будущем .
Микролинзирование
Где не видно искажений формы, но количество света, получаемого от фонового объекта, изменяется во времени. В одном типичном случае линзирующим объектом могут быть звезды в Млечном Пути , а фоновым источником могут быть звезды в удаленной галактике или, в другом случае, еще более далекий квазар . В крайних случаях звезда в далекой галактике может действовать как микролинза и увеличивать другую звезду намного дальше. Первым примером этого была звезда MACS J1149 с линзой 1 (также известная как Икар), которая на сегодняшний день является самой далекой из когда-либо наблюдаемых звезд благодаря усилению потока из-за эффекта микролинзирования.

Гравитационные линзы одинаково действуют на все виды электромагнитного излучения , не только на видимый свет, но и на неэлектромагнитное излучение, такое как гравитационные волны. Эффекты слабого линзирования изучаются для космического микроволнового фона, а также в обзорах галактик . Сильные линзы наблюдались также в радио и рентгеновском режимах. Если сильная линза дает несколько изображений, между двумя путями будет относительная временная задержка: то есть на одном изображении линзированный объект будет наблюдаться раньше, чем на другом.

История

Одна из фотографий эксперимента по солнечному затмению 1919 года, сделанная Эддингтоном , представленная в его статье 1920 года, в которой говорится об его успехе.

Генри Кавендиш в 1784 году (в неопубликованной рукописи) и Иоганн Георг фон Зольднер в 1801 году (опубликовано в 1804 году) указали, что ньютоновская гравитация предсказывает, что звездный свет будет огибать массивный объект, как это уже предполагал Исаак Ньютон в 1704 году в своих запросах. №1 в своей книге « Оптика . То же значение, что и у Сольднера, было вычислено Эйнштейном в 1911 году только на основе принципа эквивалентности . Однако Эйнштейн отметил в 1915 году, в процессе завершения общей теории относительности, что его (и, следовательно, результат Зольднера) 1911 года составляет лишь половину правильного значения. Эйнштейн стал первым, кто рассчитал правильную величину изгиба света.

Первое наблюдение отклонения света было выполнено путем наблюдения за изменением положения звезд, когда они проходили около Солнца на небесной сфере . Наблюдения были выполнены в 1919 году Артуром Эддингтоном , Фрэнком Уотсоном Дайсоном и их сотрудниками во время полного солнечного затмения 29 мая . Солнечное затмение позволило наблюдать звезды около Солнца. Наблюдения проводились одновременно в городах Собрал, Сеара , Бразилия, а также в Сан-Томе и Принсипи на западном побережье Африки. Наблюдения показали, что свет от звезд, проходящих близко к Солнцу, был слегка изогнут, так что звезды казались немного смещенными.

Изгибающий свет от удаленного источника вокруг массивного объекта. Оранжевые стрелки показывают видимое положение источника фона. Белые стрелки показывают путь света от истинного положения источника.
В образовании, известном как Крест Эйнштейна , четыре изображения одного и того же далекого квазара появляются вокруг галактики переднего плана из-за сильного гравитационного линзирования.

Результат был признан впечатляющей новостью и попал на первые полосы большинства крупных газет. Это сделало Эйнштейна и его общую теорию относительности всемирно известной. На вопрос его помощника, какова была бы его реакция, если бы общая теория относительности не была подтверждена Эддингтоном и Дайсоном в 1919 году, Эйнштейн сказал: «Тогда мне было бы жаль дорогого Господа. Теория в любом случае верна». В 1912 году Эйнштейн предположил, что наблюдатель может видеть несколько изображений одного источника света, если свет отклоняется от массы. Этот эффект заставит массу действовать как своего рода гравитационная линза. Однако, поскольку он рассматривал только эффект отклонения вокруг одиночной звезды, он, казалось, пришел к выводу, что это явление вряд ли будет наблюдаться в обозримом будущем, поскольку необходимое выравнивание между звездами и наблюдателем будет крайне маловероятным. Несколько других физиков также размышляли о гравитационном линзировании, но все пришли к такому же выводу, что его почти невозможно наблюдать.

Хотя Эйнштейн сделал неопубликованные вычисления по этому поводу, первое обсуждение гравитационной линзы в печати было сделано Хвольсоном в короткой статье, в которой обсуждается «эффект ореола» гравитации, когда источник, линза и наблюдатель находятся в почти идеальном совмещении. называется кольцом Эйнштейна .

В 1936 году, по настоянию Руди В. Мандла, Эйнштейн неохотно опубликовал в журнале Science короткую статью «Линзовидное действие звезды из-за отклонения света в гравитационном поле» .

В 1937 году Фриц Цвикки впервые рассмотрел случай, когда недавно открытые галактики (которые в то время назывались `` туманностями '') могли действовать и как источник, и как линза, и что из-за их массы и размеров эффект был гораздо более вероятным. быть замеченным.

В 1963 году Ю. Г. Климов, С. Либес и Сюр Рефсдал независимо признали, что квазары являются идеальным источником света для эффекта гравитационной линзы.

Только в 1979 году была открыта первая гравитационная линза. Оно стало известно как " Twin QSO ", поскольку изначально выглядело как два идентичных квазизвездных объекта. (Официальное название - SBS 0957 + 561. ) Эта гравитационная линза была открыта Деннисом Уолшем , Бобом Карсвеллом и Рэем Вейманном с помощью 2,1-метрового телескопа Национальной обсерватории Китт-Пик .

В 1980-х годах астрономы поняли, что комбинация ПЗС-формирователей изображений и компьютеров позволит измерять яркость миллионов звезд каждую ночь. В плотном поле, таком как центр Галактики или Магеллановы облака, потенциально может быть обнаружено множество событий микролинзирования в год. Это привело к таким усилиям, как эксперимент по оптическому гравитационному линзированию , или OGLE, которые охарактеризовали сотни таких событий, в том числе OGLE-2016-BLG-1190Lb и OGLE-2016-BLG-1195Lb .

Объяснение в терминах кривизны пространства-времени

Моделирование гравитационного линзирования (черная дыра, проходящая перед фоновой галактикой).

В общей теории относительности свет следует кривизне пространства-времени, поэтому, когда свет проходит вокруг массивного объекта, он искривляется. Это означает, что свет от объекта на другой стороне будет направлен в сторону глаза наблюдателя, как обычная линза. В общей теории относительности скорость света зависит от гравитационного потенциала (т. Е. Метрики), и это изгибание можно рассматривать как следствие движения света по градиенту скорости света. Световые лучи - это граница между будущим, пространственноподобным и прошлым регионами. Гравитационное притяжение можно рассматривать как движение невозмущенных объектов в изогнутой фоновой геометрии или, альтернативно, как реакцию объектов на силу в плоской геометрии. Угол отклонения составляет:

к массе M на расстоянии r от воздействующего излучения, где G - универсальная гравитационная постоянная, а c - скорость света в вакууме.

Поскольку радиус Шварцшильда определяется как, а космическая скорость определяется как , это также можно выразить в простой форме как

Поиск гравитационных линз

На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббла НАСА / ЕКА, показано скопление галактик MACS J1206 .

Большинство гравитационных линз в прошлом были обнаружены случайно. Поиск гравитационных линз в северном полушарии (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), проведенный в радиочастотах с использованием очень большой матрицы (VLA) в Нью-Мексико, привел к открытию 22 новых систем линзирования, что стало важной вехой. Это открыло совершенно новый путь для исследований, начиная от поиска очень далеких объектов до определения значений космологических параметров, чтобы мы могли лучше понять Вселенную.

Подобный поиск в южном полушарии был бы очень хорошим шагом к дополнению поиска в северном полушарии, а также к достижению других целей для изучения. Если такой поиск проводится с использованием хорошо откалиброванных и хорошо параметризованных инструментов и данных, можно ожидать результата, аналогичного северной съемке. Использование данных обзора Австралийского телескопа 20 ГГц (AT20G), собранных с помощью Австралийского телескопа Compact Array (ATCA), является таким набором данных. Поскольку данные были собраны с использованием одного и того же инструмента, поддерживающего очень строгое качество данных, мы должны ожидать получения хороших результатов от поиска. Обзор AT20G - это слепой обзор на частоте 20 ГГц в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Из-за использования высокой частоты вероятность обнаружения гравитационных линз возрастает по мере увеличения относительного числа компактных ядерных объектов (например, квазаров) (Sadler et al. 2006). Это важно, поскольку линзирование легче обнаружить и идентифицировать в простых объектах по сравнению со сложными объектами. Этот поиск включает использование интерферометрических методов для идентификации кандидатов и последующего наблюдения за ними с более высоким разрешением для их идентификации. Полная информация о проекте в настоящее время находится в разработке для публикации.

Скопление галактик SDSS J0915 + 3826 помогает астрономам изучать звездообразование в галактиках.

Методы микролинзирования использовались для поиска планет за пределами Солнечной системы. Статистический анализ конкретных случаев наблюдаемого микролинзирования за период с 2002 по 2007 год показал, что у большинства звезд в галактике Млечный Путь находилась по крайней мере одна планета на орбите в пределах от 0,5 до 10 а.е.

В статье 2009 года в Science Daily группа ученых во главе с космологом из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США достигла большого прогресса в расширении использования гравитационного линзирования для изучения гораздо более старых и меньших структур, чем это было возможно ранее. утверждение, что слабое гравитационное линзирование улучшает измерения далеких галактик.

Астрономы из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге , Германия , результаты которого приняты к публикации 21 октября 2013 года в Astrophysical Journal Letters , обнаружили самую далекую в то время галактику с гравитационными линзами, обозначенную как J1000 + 0221, используя НАСА «s космического телескопа Хаббла . Хотя она остается самой далекой из известных галактик с линзированием с четырьмя изображениями, еще более далекая галактика с линзированием с двумя изображениями была впоследствии обнаружена международной группой астрономов с помощью комбинации космического телескопа Хаббл и телескопа Кека для получения изображений и спектроскопии. Об открытии и анализе линзы IRC 0218 было опубликовано в Astrophysical Journal Letters 23 июня 2014 года.

Исследование , опубликованное 30 сентября 2013 в интернет - издании журнала Physical Review Letters , во главе университета Макгилла в Монреале , Квебек , Канада, обнаружила B-режимы , которые образуются в результате гравитационного линзирования эффекта, используя Национальный научный фонд «s Южный полюс Телескоп и с помощью космической обсерватории Herschel. Это открытие откроет возможности для проверки теорий происхождения нашей Вселенной.

Скопление галактик Abell 2744 - чрезвычайно далекие галактики, обнаруженные методом гравитационного линзирования (16 октября 2014 г.).

Солнечная гравитационная линза

Альберт Эйнштейн предсказал в 1936 году, что лучи света с того же направления, что огибают края Солнца, будут сходиться к фокусной точке примерно в 542 а.е. от Солнца. Таким образом, зонд, расположенный на таком расстоянии (или большем) от Солнца, может использовать Солнце в качестве гравитационной линзы для увеличения удаленных объектов на противоположной стороне Солнца. Местоположение зонда может меняться по мере необходимости для выбора различных целей относительно Солнца.

Это расстояние намного превосходит прогресс и возможности оборудования космических зондов, таких как « Вояджер-1» , и выходит за рамки известных планет и карликовых планет, хотя через тысячи лет Седна 90377 будет двигаться дальше по своей высокоэллиптической орбите. Высокое усиление для потенциального обнаружения сигналов через эту линзу, таких как микроволны на 21-сантиметровой линии водорода , привело к предположению Фрэнка Дрейка в первые дни SETI, что зонд может быть отправлен на такое расстояние. Многоцелевой зонд SETISAIL, а затем FOCAL был предложен ЕКА в 1993 году, но, как ожидается, будет сложной задачей. Если зонд действительно проходит 542 а.е., увеличивающие возможности линзы будут продолжать действовать на больших расстояниях, поскольку лучи, которые попадают в фокус на больших расстояниях, проходят дальше от искажений короны Солнца. Критика концепции была дана Лэндисом, который обсудил такие вопросы, как интерференция солнечной короны, большое увеличение цели, которое затруднит проектирование фокальной плоскости миссии, и анализ присущей линзе сферической аберрации. .

В 2020 году физик НАСА Слава Турышев представил свою идею прямого многопиксельного изображения и спектроскопии экзопланеты с помощью миссии с солнечной гравитационной линзой . Линза может реконструировать изображение экзопланеты с разрешением поверхности в масштабе ~ 25 км, достаточным, чтобы увидеть особенности поверхности и признаки обитаемости.

Измерение слабого линзирования

Скопление галактик MACS J2129-0741 и линзовая галактика MACS2129-1.

Kaiser, Squires и Broadhurst (1995), Luppino & Kaiser (1997) и Hoekstra et al. (1998) предписали метод инвертировать эффекты размытия и сдвига функции рассеяния точки (PSF), восстанавливая оценщик сдвига, не загрязненный систематическими искажениями PSF. Этот метод (KSB +) является наиболее широко используемым методом измерения сдвига при слабом линзировании.

Галактики имеют случайное вращение и наклон. В результате эффекты сдвига при слабом линзировании должны определяться статистически предпочтительными ориентациями. Основной источник ошибок в измерениях линзирования связан с сверткой PSF с линзируемым изображением. Метод KSB измеряет эллиптичность изображения галактики. Сдвиг пропорционален эллиптичности. Объекты на линзовых изображениях параметризованы в соответствии с их взвешенными квадрупольными моментами. Для идеального эллипса взвешенные квадрупольные моменты связаны с взвешенной эллиптичностью. KSB вычисляет, как взвешенная мера эллиптичности связана со сдвигом, и использует тот же формализм для устранения эффектов PSF.

Основными преимуществами KSB являются его математическая простота и относительно простая реализация. Однако KSB основан на ключевом предположении, что PSF имеет форму круга с анизотропным искажением. Это разумное предположение для съемок космического сдвига, но для съемок следующего поколения (например, LSST ) может потребоваться гораздо лучшая точность, чем может обеспечить KSB.

Галерея

Далекие галактики звездообразования с гравитационными линзами.

Смотрите также

Исторические документы и ссылки

  • Хвольсон, О (1924). "Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne". Astronomische Nachrichten . 221 (20): 329–330. Bibcode : 1924AN .... 221..329C . DOI : 10.1002 / asna.19242212003 .
  • Эйнштейн, Альберт (1936). «Линзовидное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». Наука . 84 (2188): 506–7. Bibcode : 1936Sci .... 84..506E . DOI : 10.1126 / science.84.2188.506 . JSTOR  1663250 . PMID  17769014 . S2CID  38450435 .
  • Ренн, Юрген; Тильман Зауэр; Джон Стэйчел (1997). «Происхождение гравитационного линзирования: постскриптум к научной статье Эйнштейна 1936 года». Наука . 275 (5297): 184–6. Bibcode : 1997Sci ... 275..184R . DOI : 10.1126 / science.275.5297.184 . PMID  8985006 . S2CID  43449111 .

использованная литература

Примечания
Библиография
дальнейшее чтение

внешние ссылки

Изображается в научно-фантастических произведениях