Что такое гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование

Линзирование далёких галактик

В зависимости от местонахождения человека относительно массивного тела, которое находится перед фоновым объектом и самим объектом, он может увидеть всевозможные искаженные изображения: кольца (как на фото ниже), арки или множество изображений одного и того же объекта.

В некоторых случаях через линзу объекты отображаются ярче, чем они есть на самом деле. А происходит это потому, что расходящийся от фонового объекта свет фокусируется объектом-линзой и попадает в прямую зону нашей видимости. Так гравитационные линзы иногда позволяют нам увидеть объекты, не обладающие ярким свечением, которые мы никогда бы не заметили.

На изображении ниже представлено гравитационное линзирование далеких фоновых галактик, расположенных за крупным скоплением галактик Абель 2218. Сами фоновые галактики располагается в 2 млрд световых лет от нашей планеты.

На фото ниже изображен еще один пример гравитационного линзирования, снятый при помощи телескопа «Hubble». Здесь мы видим несколько изображений квазара и еще одной фоновой галактики, сформированных благодаря расположенному перед ними скоплению галактик.

Каждое изображение одного и того же объекта выглядит немного по-разному, т.к. свет от каждого фрагмента фонового объекта проходит свой, немного отличающийся от других, путь по искривленному пространству. Астрономы определяют, принадлежат ли многочисленные изображения одному и тому же объекту, по спектру электромагнитного излучения, который, подобно отпечаткам пальцев, у каждого объекта свой.

Гравитационное линзирование на службе у науки

Гравитационное линзирование не только позволяет нам делать красивые фотографии далеких галактик. Зная расстояние до объекта-линзы и до фонового объекта, а также рассчитав степень отклонения изображения, астрономы могут высчитать массу фонового объекта. И это не может не поражать воображение. Теперь нам под силу рассчитать, какова масса скопления галактик, расположенного в миллиардах световых лет от нашей планеты, при помощи телескопа и набора математических формул.
Рассчитав таким образом массу нескольких скоплений галактик ученые сделали неожиданное открытие. Массы этих скоплений значительно больше, чем это предполагалось ранее, когда в расчет брался лишь свет, исходящий от скопления. В этих галактиках просто нет стольких звезд, чтобы обеспечить такую колоссальную массу. Вывод? Большая часть массы этих скоплений приходится на темную материю, которая не излучает свет. Так теория дедушки Эйнштейна по-прежнему помогает человечеству делать все новые и новые открытия.

Немного истории

В 1919 году знаменитый английский физик Артур Эддингтон снарядил экспедицию на остров Принсипи, расположенный рядом с западным побережьем Африки. В чем заключалась его миссия? Эддингтон хотел проверить удивительное предположение Альберта Эйнштейна, считавшего, что массивные тела искривляют пространство вокруг себя.
В мае 1919 года на острове Принсипи произошло солнечное затмение, которое позволило Эддингтону сфотографировать звезды, располагающиеся на небе неподалеку от Солнца, и рассчитать их местоположение. Согласно выдвинутой Эйнштейном теории, полученные координаты звезд должны были в некоторой степени отличаться от фактического положения этих небесных тел в космическом пространстве. Через год, после тщательных расчетов Эддингтон наконец объявил, что положение звезд действительно отличается, причем, ровно настолько, насколько это предсказывал его коллега. Новость быстро облетела весь мир, и Альберт Эйнштейн стал самым известным физиком на свете.
Эйнштейн продолжил работу над своей теорией и в 1936 году заявил, что свет от фонового объекта проходит по искривленной дуге, огибая массивное тело, расположенное перед ним, и формирует изображения этого самого фонового объекта, подобно тому, как свет преломляется, проходя через линзу. Эффект получил название «гравитационное линзирование». Однако впервые засечь этот эффект, увидев множество изображений одного квазара (активного ядра молодой галактики), сформированных благодаря расположенной впереди массивной галактике, астрономам удалось лишь в 1979 году.

Гравитационное линзирование

Гравитацио́нная ли́нза — массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза.

Содержание

Принцип гравитационного линзирования

Экспериментальные данные

Направления исследований

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение нереально. Если же компактный объект-линза излучает мало или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются микролинзированием. Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и невидимые никаким иным способом компактные тела.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования каустик для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне описывается предположением о примерной сферической симметрии обоих объектов. Однако в 2-3% всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях, см. например M. Dominik, Mon.Not.Roy.Astron.Soc. 353 (2004) 69 (astro-ph/0309581). Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить недавний случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069, описанный в статье astro-ph/0502018. Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.

См. также

• Крест Эйнштейна
• SDSSJ0946+1006 — система с двойными кольцами Эйнштейна.

Ссылки

Гравитационные линзы в культурном контексте

• Линор Линза – Линза гравитационная – арт-имя русской художницы.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое “Гравитационное линзирование” в других словарях:

Гравитационное отклонение света — Гравитационное линзирование света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения,… … Википедия

Гравитационная фокусировка — Гравитационное линзирование света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения,… … Википедия

Общая теория относительности — Альберт Эйнштейн (автор общей теории относительности), 1921 год … Википедия

ОТО — Альберт Эйнштейн автор общей теории относительности (1921 год) Общая теория относительности … Википедия

Альтернативные теории гравитации — Альтернативными теориями гравитации принято называть теории гравитации, существующие как альтернативы общей теории относительности (ОТО) или существенно (количественно или принципиально) модифицирующие ее. К альтернативным теориям гравитации… … Википедия

МОНД — Альтернативными теориями гравитации принято называть теории гравитации, существующие как альтернативы общей теории относительности или существенно (количественно или принципиально) модифицирующие ее. К альтернативным теориям гравитации часто… … Википедия

Скрытая масса — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Недостающая масса — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани … Википедия

Тёмное вещество — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формир … Википедия

Вселенная — Крупномасштабная структура Вселенной как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм 1 600 000 галактик, зарегистри … Википедия

Вселенная не в фокусе

Для чего астрономы используют слабое гравитационное линзирование

MareNostrum Simulation project

Сегодня мы расскажем вам о слабом гравитационном линзировании. Поводом для этого послужила обзорная статья профессора Маттиаса Бартельманна из университета теоретической физики Гейдельберга, которую он написал специально для образовательного проекта Scholarpedia.

Сначала немного истории: идея о том, что массивные тела способны отклонять свет, восходит к Исааку Ньютону. В 1704 году он писал в своей книге «Оптика»: «. не оказывают ли влияния тела на свет на расстоянии и этим влиянием отклоняя его лучи; и не тем ли сильнее это влияние, чем меньше расстояние [между телом и лучом света]?» Долгое время сама постановка такого вопроса была противоречивой, потому что ньютоновская физика работает только с телами, обладающими массой, а дебаты по поводу природы света, свойств и наличия массы у его частиц шли еще добрых два столетия.

Тем не менее, в 1804 году немецкий астроном Иоганн фон Зольднер, предположив наличие массы у еще не открытых к тому времени фотонов, смог рассчитать угол, на который отклонится свет от далекого источника, если он «чиркнет» по поверхности Солнца и долетит до Земли — луч должен был отклоняться на 0,83 угловой секунды (это примерно размеры копеечной монеты с расстояния 4 километров).

Следующий большой шаг в изучении взаимодействия света и гравитации сделал Альберт Эйнштейн. Его работы по общей теории относительности заменили классическую теорию тяготения Ньютона, где присутствуют силы, на геометрическую. В этом случае масса фотонов уже не важна — свет будет отклоняться просто потому, что само пространство вблизи массивного предмета искривлено. Еще не окончив работы по ОТО, Эйнштейн рассчитал угол отклонения луча света, проходящего вблизи Солнца и получил. в точности те же 0,83 угловой секунды, что и фон Зольднер за сто лет до него. Лишь пятью годами позже, завершив работы над ОТО, Эйнштейн понял, что нужно учитывать не только пространственную, но и временную компоненту кривизны нашего четырехмерного пространства-времени. Это удвоило расчетный угол отклонения.

Давайте попробуем получить этот же угол. Проходя мимо массивного тела, луч света отклоняется, потому что двигается прямо, но в искривленном пространстве. С точки зрения Эйнштейна, пространство и время равноправны, значит, меняется и время, за которое свет дойдет до нас. Следовательно, меняется скорость света.

Скорость света, проходящего в поле тяготения линзы, будет зависеть от гравитационного потенциала линзы и будет меньше скорости света в вакууме

Это не нарушает никаких законов — скорость света действительно может меняться, если свет идет сквозь какое-то вещество. То есть, по Эйнштейну, отклонение света массивным предметом равносильно его прохождению сквозь некую прозрачную среду. Погодите, это же напоминает коэффициент преломления линзы, который мы все изучали в школе!

Отношение двух скоростей света — это и есть знакомый нам со школы коэффициент преломления

Теперь, зная скорость света в линзе, можно получить что-то, что можно измерить на практике, — например, угол отклонения. Для этого нужно применить один из фундаментальных постулатов природы — принцип Ферма, согласно которому луч света двигается так, чтобы минимизировать оптическую длину пути. Записав его на языке математики, мы получим интеграл:

Угол отклонения будет равен интегралу от градиента гравитационного потенциала

Решать его не надо (да это и очень трудно), главное тут — увидеть двойку перед знаком интеграла. Это та самая двойка, которая появилась у Эйнштейна при учете пространственной и временной компонент и которая увеличила угол отклонения в два раза.

Чтобы взять интеграл, применяют аппроксимацию (то есть упрощенное и приближенное вычисление). Для данного конкретного случая удобнее использовать приближение Борна, которое пришло из квантовой механики и было хорошо известно Эйнштейну:

Та самая аппроксимация Борна для упрощенного вычисления угла отклонения

Подставляя известные для Солнца значения в формулу выше и переводя радианы в угловые секунды, полчаем искомый ответ

Знаменитая экспедиция под руководством Эддингтона наблюдала за солнечным затмением 1919 года в Африке, и звезды, которые во время затмения были рядом с солнечным диском, отклонились на угол от 0,9 до 1,8 угловой секунды. Это было первое экспериментальное подтверждение общей теории относительности.

Тем не менее ни сам Эйнштейн, ни его коллеги не задумывались о практическом использовании этого факта. Действительно — Солнце слишком яркое, а отклонения заметны только у звезд вблизи его диска. Значит, наблюдать эффект можно только во время затмений, да и никаких новых данных ни про Солнце, ни про другие звезды это астрономам не дает. В 1936 году чешский инженер Руди Мандль посетил ученого в Принстоне и попросил его рассчитать угол отклонения звезды, свет от которой пройдет рядом с другой звездой (то есть любой звездой кроме Солнца). Эйнштейн сделал необходимые расчеты и даже опубликовал статью, но в ней заметил, что считает эти эффекты пренебрежимо малыми и не поддающимися наблюдению. Однако за идею ухватился астроном Фриц Цвикки, который к этому времени плотно занимался изучением галактик (то, что помимо Млечного Пути существуют другие галактики, стало известно за восемь лет до этого). Он первым понял, что в качестве линзы может выступать не только звезда, но и целая галактика и даже их скопление. Подобная гигантская масса (миллиарды и триллионы масс Солнца) отклоняют свет достаточно сильно, чтобы это можно было зарегистрировать, и в 1979 году, к сожалению, через пять лет после смерти Цвикки, была обнаружена первая гравитационная линза — массивная галактика, которая отклонила свет далекого квазара, проходящий сквозь нее. Сейчас же линзы, вопреки прогнозам Эйнштейна используют совсем не для проверки ОТО, а для огромного числа исследований самых крупных объектов Вселенной.

Различают сильное, слабое и микролинзирование. Отличие между ними заключается в расположении источника, наблюдателя и линзы, а также в массе и форме линзы.

Сильное гравитационное линзирование характерно для систем, где источник света находится близко к массивной и компактной линзе. В результате свет, расходящийся от источника по разные стороны от линзы, огибает ее, искривляется и доходит до нас в виде нескольких изображений одного и того же предмета. Если источник, линза и наблюдатель (то есть мы) находятся на одной оптической оси, то можно увидеть несколько изображений одновременно. Крест Эйнштейна — это классический пример сильного гравитационного линзирования. В более общем случае линза сильно искажает форму объекта, делая его похожим на арку.

Пример сильного линзирования далекой галактики (белый обьект) массивной более близкой к нам галактикой (бирюзовый объект)

Слабое гравитационное линзирование, о котором и пойдет в основном рассказ в нашем материале, не способно сформировать ни четкого изображения, ни даже яркой красивой арки — для этого линза слишком слаба. Однако изображение все равно деформируется, и это дает ученым в руки очень сильный инструмент: известных нам примеров сильного линзирования немного, а вот слабого, для которого достаточно, чтобы две крупные галактики или два скопления оказались на угловом расстоянии около одной секунды дуги, вполне хватает для статистического изучения галактик, скоплений, темной материи, реликтового излучения и всей истории Вселенной от Большого взрыва.

И, наконец, гравитационное микролинзирование — это временное увеличение яркости источника линзой, которая оказалась на оптической оси между ним и нами. Обычно эта линза недостаточно массивна, чтобы сформировать четкое изображение или даже арку. Однако она все равно фокусирует часть света, который иначе бы до нас не дошел, и это делает далекий объект ярче. Этот метод используют для поиска (а точнее говорить — случайного обнаружения) экзопланет.

Напомним, что в этом обзоре мы, следуя за статьей профессора Бартельманна, ограничимся обсуждением именного слабого линзирования. Очень важно, что слабое линзирование, в отличие от сильного, не может создавать ни арок, ни множественных изображений одного и того же источника. Не может даже сколько-нибудь значительно увеличивать яркость. Все, на что оно способно — немного изменить форму далекой галактики. На первый взгляд, это кажется мелочью — мало ли в космосе эффектов, которые искажают объекты? Пыль поглощает свет, расширение Вселенной сдвигает все длины волн, свет, доходя до Земли, рассеивается в атмосфере, а потом еще проходит сквозь неидеальную оптику телескопов — где уж тут заметить, что галактика стала чуть более вытянутой (учитывая, что мы и не знали, какой она была изначально)? Однако тут на помощь приходит статистика — если на небольшом участке неба у галактик есть предпочтительное направление вытянутости — значит, возможно, мы их видим через слабую линзу. Несмотря на то, что современные телескопы могут видеть порядка 40 галактик в квадрате со сторонами в одну угловую минуту (это размеры МКС, как мы ее видим с Земли), искажение, вносимое линзированием в форму галактики, настолько незначительно (не превышает нескольких процентов), что нам нужны очень большие и очень мощные телескопы. Такие, например, как четыре восьмиметровых телескопа комплекса VLT в Чили, или 3,6-метровый телескоп CFHT, расположенный на Гавайях. Это не просто очень большие телескопы — они к тому же могут получать изображение большого участка неба одним снимком, вплоть до одного квадратного градуса (в отличие, например, от очень мощного телескопа Хаббла, один кадр которого покрывает квадрат со стороной всего 2,5 угловой минуты). К настоящему времени опубликовано уже несколько обзоров площадью чуть более 10 процентов неба, которые дали достаточно данных для поиска слабо линзированных галактик.

Карта распределения материи, реконструированная после расчетов эффектов слабого гравилинзирования; белыми точками обозначены галактики или скопления галактик

Источники:

http://light-science.ru/fizika/gravitatsionnoe-linzirovanie.html
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/877726
http://nplus1.ru/material/2017/03/13/weakgravlensing