Gravity lins

En gravitationslins  är en massiv kropp (en planet , en stjärna , en galax , ett kluster av galaxer , ett kluster av mörk materia ), som ändrar utbredningsriktningen för elektromagnetisk strålning med dess gravitationsfält , precis som en vanlig lins ändrar en ljusstråles riktning. Själva fenomenet ljusstrålekrökning under påverkan av gravitationen förutspåddes av A. Einsteins allmänna relativitetsteorin (GR) , och upptäckten av gravitationslinser var en av bekräftelserna på GR [1] [2] [3] [4] .

Som regel är gravitationslinser som avsevärt kan förvränga bilden av ett bakgrundsobjekt ganska stora masskoncentrationer: galaxer och galaxhopar. Mer kompakta föremål - till exempel stjärnor  - avleder också ljusstrålar, men i så små vinklar att det i de flesta fall inte går att fixa en sådan avvikelse. I det här fallet kan du vanligtvis bara märka en kort ökning av ljusstyrkan hos linsobjektet i det ögonblick då linsen passerar mellan jorden och bakgrundsobjektet. Om objektivobjektet är ljust är det nästan omöjligt att märka en sådan förändring. Om objektivobjektet inte är ljust eller inte syns alls, kan en sådan kortvarig blixt mycket väl observeras. Händelser av denna typ kallas mikrolinsning . Intresset här är inte kopplat till själva linningsprocessen, utan med att den gör att man kan upptäcka massiva och annars osynliga ansamlingar av materia.

Ett annat område av mikrolensforskning var idén att använda kaustik för att få information både om själva linsobjektet och om källan vars ljus det fokuserar. De allra flesta mikrolinsningshändelser passar bra med antagandet att båda kropparna är sfäriska. Men i 2-3% av alla fall observeras en komplex ljusstyrkekurva, med ytterligare korta toppar, vilket indikerar bildandet av frätande material i linsbilder [5] . Denna situation kan uppstå om linsen har en oregelbunden form, till exempel om den består av två eller flera mörka massiva kroppar. Observationen av sådana händelser är verkligen intressant för att studera naturen hos mörka kompakta föremål. Ett exempel på framgångsrik bestämning av parametrarna för en dubbellins genom att studera kaustik är fallet med mikrolinsning OGLE-2002-BLG-069 [6] . Dessutom finns det förslag om att använda kaustisk mikrolinsing för att bestämma den geometriska formen på en källa, eller för att studera ljusstyrkaprofilen för ett utökat bakgrundsobjekt, och i synnerhet för att studera jättestjärnornas atmosfärer.

Observationer

Beskrivning

Till skillnad från en optisk lins böjer en gravitationslins ljuset närmast dess centrum mest och böjer ljuset längst från mitten minst. Därför har en gravitationslins ingen brännpunkt , men har en brännpunkt. Termen "lins", som antyder ljusets avböjning på grund av gravitationen, användes först av Oliver Lodge, som noterade att "det inte är giltigt att säga att solens gravitationsfält fungerar som en lins, eftersom den inte har någon brännvidd " [ 7] . Om ljuskällan, det massiva linsobjektet och observatören är i linje, kommer ljuskällan att ses som en ring runt det massiva objektet. Om kropparnas relativa position avviker från den direkta linjen, kommer observatören att kunna se endast en del av bågen. Detta fenomen nämndes första gången av en fysiker från Leningrad Orest Danilovich Khvolson 1924 [8] , och numeriska uppskattningar gjordes av Albert Einstein 1936 [9] . I litteraturen kallas denna effekt vanligtvis för Einstein-ringen , eftersom Khwolson inte beräknade vare sig ljusstyrkan eller radien för den synliga ringen. Mer generellt, när effekten av gravitationslinser orsakas av ett system av kroppar (en grupp eller galaxkluster ) som inte har sfärisk symmetri, kommer ljuskällan att vara synlig för observatören som delar av bågar som är placerade runt linsen. Observatören i detta fall kommer att kunna se de böjda multiplicerade bilderna av samma föremål. Deras antal och form beror på den relativa positionen för ljuskällan (objektet), linsen och observatören, såväl som på formen av gravitationspotentialen som väl skapas av linsobjektet [10] .

Det finns tre klasser av gravitationslinser [7] [11] :

  1. Stark gravitationslinsning som orsakar lätt urskiljbara förvrängningar som Einsteins ring, bågar och multiplicerade bilder.
  2. Svag gravitationslinsning , som endast orsakar små förvrängningar i bilden av ett objekt som finns bakom linsen (nedan kallat bakgrundsobjektet). Dessa förvrängningar kan bara fixas efter en statistisk analys av ett stort antal bakgrundsobjekt, vilket gör det möjligt att hitta en liten konsekvent förvrängning av deras bilder. Linsning visar sig i en lätt sträckning av bilden vinkelrätt mot riktningen mot linsens mitt. Genom att studera formen och orienteringen av ett stort antal avlägsna bakgrundsgalaxer kan vi mäta linsfältet i vilken region som helst. Dessa data kan i sin tur användas för att rekonstruera fördelningen av massor i en given region av rymden; i synnerhet kan denna metod användas för att studera fördelningen av mörk materia . Eftersom galaxerna själva är elliptiska och distorsionen från svag linsning är liten, kräver denna metod observation av ett stort antal bakgrundsgalaxer. Sådana undersökningar måste noggrant ta hänsyn till många källor till systematiska fel : galaxernas rätta form, den ljuskänsliga arrayens rumsliga responsfunktion, atmosfäriska förvrängningar, etc. Resultaten av dessa studier är viktiga för att uppskatta kosmologiska parametrar, för bättre förståelse och utveckling Lambda - CDM- modellen , och även för att ge en överensstämmelsekontroll med andra kosmologiska observationer [12] .
  3. Mikrolinsning orsakar ingen observerbar formförvrängning, men mängden ljus som tas emot av observatören från bakgrundsobjektet ökar tillfälligt. Linsobjektet kan vara stjärnorna i Vintergatan , deras planeter, och ljuskällan kan vara stjärnorna i avlägsna galaxer eller kvasarer , belägna på ett ännu längre avstånd. I motsats till de två första fallen sker förändringen i det observerade mönstret under mikrolinsning under en karakteristisk tid från sekunder till hundratals dagar. Mikrolinsning gör det möjligt att uppskatta antalet svagt lysande föremål med massor i storleksordningen stjärnmassor (till exempel vita dvärgar ) i galaxen, vilket kan ge ett visst bidrag till den baryoniska komponenten av mörk materia. Dessutom är mikrolinsning en av metoderna för att söka efter exoplaneter .

Gravitationslinser verkar lika på alla typer av elektromagnetisk strålning , inte bara synligt ljus. Utöver galaxundersökningarna som beskrivs ovan kan svag linsering studeras utifrån dess effekt på den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen . Stark linsning observerades i radio- och röntgenområdet .

I fallet med stark gravitationslinsning, om flera bilder av bakgrundsobjektet observeras, kommer ljuset från källan, som går på olika sätt, att anlända till observatören vid olika tidpunkter; genom att mäta denna fördröjning (till exempel från en bakgrundskvasar med variabel ljusstyrka) kan man uppskatta massfördelningen längs siktlinjen.

Sök efter gravitationslinser

Förr i tiden hittades de flesta gravitationslinser av en slump. En sökning efter gravitationslinser på norra halvklotet (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), som utfördes med radioteleskopet Very Large Array i New Mexico, avslöjade 22 nya linssystem. Detta har öppnat upp helt nya forskningsvägar, från att söka efter mycket avlägsna objekt till att bestämma värdena för kosmologiska parametrar för en bättre förståelse av universum.

En sådan studie från det södra halvklotet skulle tillåta oss att ta ett stort steg mot att slutföra studierna från det norra halvklotet, samt att identifiera nya objekt för studier. Om en sådan studie genomförs med välkalibrerade och välinställda instrument kan resultat liknande de som erhållits i studien från norra halvklotet förväntas. Ett exempel på lämpliga data är från det australiska AT20G-teleskopet baserat på ATKA-radiointerferometern. Eftersom data erhölls med ett precisionsinstrument som liknar det som används på norra halvklotet, är goda resultat att förvänta sig av studien. AT20G arbetar upp till 20 GHz i radiofält av det elektromagnetiska spektrumet. Eftersom en hög frekvens används ökar chanserna att hitta gravitationslinser, eftersom antalet små grundläggande objekt (till exempel kvasarer) ökar. Detta är viktigt, eftersom det är lättare att upptäcka linsen på exemplet med enklare föremål. Denna sökning inkluderar användning av interferensmetoder för att identifiera exempel och observera dem i högre upplösning. En fullständig beskrivning av projektet förbereds nu för publicering.

Astronomer från Max Planck Society for Scientific Research upptäckte den mest avlägsna gravitationslinsgalaxen vid den tiden (J1000+0221) med hjälp av NASA :s Hubble-teleskop . För närvarande är denna galax fortfarande den mest avlägsna, och delar upp bilden i fyra. Ett internationellt team av astronomer har dock med hjälp av Hubble-teleskopet och Keck Observatory Telescope upptäckt en ännu mer avlägsen galax som delar bilden. Upptäckten och analysen av lins IRC 0218 publicerades i Astrophysical Journal Letters den 23 juni 2014.

Teori

En gravitationslins kan ses som en vanlig lins, men endast med ett positionsberoende brytningsindex. Sedan kan den allmänna ekvationen för alla modeller skrivas på följande sätt [13] :

där η  är källkoordinaten, ξ  är avståndet från linsens centrum till brytningspunkten ( islagsparameter ) i linsplanet, D s , D d  är avstånden från observatören till källan respektive linsen, D ds  är avståndet mellan linsen och källan, α  är vinkelavvikelsen, beräknad med formeln:

där Σ  är den yttäthet längs vilken strålen "glider". Om vi ​​betecknar den karakteristiska längden i linsplanet som ξ 0 , och motsvarande värde i källplanet som η 0 = ξ 0 D s / D l , och introducerar motsvarande dimensionslösa vektorer x = ξ/ξ 0 och y = η /η 0 , då kan linsekvationen skrivas i följande form:

Sedan, om vi introducerar en funktion som kallas Fermat-potentialen, kan vi skriva ekvationen enligt följande [13] :

Tidsfördröjningen mellan bilder skrivs också vanligtvis i termer av Fermat-potentialen [13] :

Ibland är det bekvämt att välja skalan ξ 0 = D l , då är x och y  vinkelpositionen för bilden respektive källan.

Anteckningar

  1. ↑ Bernard F. Schutz. En första kurs i allmän relativitet . illustrerad, herdruk. - Cambridge University Press, 1985. - S. 295. - ISBN 978-0-521-27703-7 . Arkiverad 10 juli 2020 på Wayback Machine
  2. ↑ Wolfgang Rindler. Relativitet: speciell, allmän och kosmologisk . — 2:a. - OUP Oxford, 2006. - P. 21. - ISBN 978-0-19-152433-2 . Arkiverad 9 januari 2022 på Wayback Machine Utdrag av sida 21 Arkiverad 9 januari 2022 på Wayback Machine
  3. ↑ Gabor Kunstatter. General Relativity And Relativistic Astrophysics - Proceedings Of The 4th Canadian Conference  / Gabor Kunstatter, Jeffrey G Williams, DE Vincent. - World Scientific, 1992. - S. 100. - ISBN 978-981-4554-87-9 . Arkiverad 4 april 2022 på Wayback Machine Utdrag av sida 100 Arkiverad 4 april 2022 på Wayback Machine
  4. ↑ Pekka Teerikorpi. Det utvecklande universum och livets ursprung: sökandet efter våra kosmiska rötter  / Pekka Teerikorpi, Mauri Valtonen, K. Lehto … [ och andra ] . — illustrerad. - Springer Science & Business Media, 2008. - S. 165. - ISBN 978-0-387-09534-9 . Arkiverad 4 april 2022 på Wayback Machine Utdrag av sida 165 Arkiverad 4 april 2022 på Wayback Machine
  5. ↑ Dominik M. Teori och praktik av mikrolinsning av ljuskurvor runt vecksingulariteter  // Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society  . - 2004. - Vol. 353.- Iss. 1 . - S. 69-86. - doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.08046.x . - arXiv : astro-ph/0309581 .
  6. ↑ astro-ph/0502018
  7. ↑ 1 2 Schneider P., Ehlers J., Falco EE Gravitational Lenses. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Press, 1992. - ISBN 3-540-97070-3 .
  8. ↑ Turner, Christina The Early History of Gravitational Lensing (14 februari 2006). Arkiverad från originalet den 25 juli 2008.
  9. ↑ En kort historia av gravitationslinsning - Einstein Online . www.einstein-online.info _ Tillträdesdatum: 29 juni 2016. Arkiverad från originalet 1 juli 2016.
  10. ↑ Brill D. Black Hole Horizons and How They Begin Arkiverad 16 september 2014 på Wayback Machine , Astronomical Review (2012); Onlineartikel, citerad september 2012.]
  11. ↑ Melia F. Det galaktiska supermassiva svarta hålet. - Princeton University Press , 2007. - S. 255-256. - ISBN 0-691-13129-5 .
  12. ↑ Refregier A. Svag gravitationslinsning genom storskalig struktur  //  Årlig översyn av astronomi och astrofysik. - Årsrecensioner , 2003. - Vol. 41 , iss. 1 . - s. 645-668 . doi : 10.1146 / annurev.astro.41.111302.102207 . - . — arXiv : astro-ph/0307212 .
  13. ↑ 1 2 3 Zakharov A.F. Gravitationslinser och mikrolinser. - M. : Janus-K, 1997. - ISBN 5-88929-037-1 .

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk