Астрономы использовали гравитационное линзирование для измерения свойств ранней вселенной

Введение

Гравитационный lensing предсказан теорией Альберта Эйнштейна Общей теории относительности. Вместо света из источника, едущего в прямой линии (в трех измерениях), это согнуто присутствием крупного тела, которое искажает пространство-время. Кольцо Эйнштейна — особый случай гравитационного lensing, вызванного точным выравниванием источника, линзы и наблюдателя. Это приводит к симметрии вокруг линзы, вызывая подобную кольцу структуру.

Размер кольца Эйнштейна дан радиусом Эйнштейна. В радианах это —

где

: гравитационная константа,

: масса линзы,

: скорость света,

: угловое расстояние диаметра до линзы,

: угловое расстояние диаметра до источника и

: угловое расстояние диаметра между линзой и источником.

Отметьте что по космологическим расстояниям в целом.

История

Результат гравитационного линзирования галактики SDP.81, полученный телескопами ALMA

Искривление света гравитирующим телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Renn et al. 1997). Кольцеобразное явление впервые было упомянуто Орестом Хвольсоном в короткой статье 1924 года, в котором автор указывал на «эффект гало», возникающий при расположении источника, объекта-линзы и наблюдателя вдоль одной прямой. Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 года в статье, идея которой была навеяна письмом чехословацкого инженера Р. В. Мандля, при этом утверждая, что наблюдать такое явление практически невозможно из-за необходимости как точного расположения объектов и наблюдателя вдоль одной прямой, так и малой разрешающей способности инструментов наблюдения. Однако Эйнштейн рассматривал только линзирование света звёздами, а такое явление действительно маловероятно наблюдать. Но линзирование галактиками или чёрными дырами наблюдать проще вследствие большего размера кольца Эйнштейна.

На данный момент, по-видимому, не было наблюдений линзирования света звезды другой звездой, но существует 45 % вероятность пронаблюдать такое явление в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра A пройдет между Солнцем и более далёкой красной звездой.

Известные кольца Эйнштейна

«Смайлик» или «Чеширский Кот»: изображение скопления галактик (SDSS J1038+4849) и результата гравитационного линзирования ими (кольцо Эйнштейна), открытое международной группой исследователей, снимок телескопа Хаббл

В настоящее время известны сотни явлений гравитационного линзирования. Среди них есть фрагменты колец Эйнштейна с диаметрами до угловой секунды. Поскольку в общем случае распределение массы в объекте-линзе не является абсолютно осесимметричным или же источник, линза и наблюдатель не находятся строго на одной прямой, то мы не наблюдаем идеального кольца Эйнштейна. Большинство колец было открыто в радиодиапазоне.

Первое кольцо Эйнштейна открыли Хьюитт и др. (1988), наблюдавшие радиоисточник MG1131+0456 на телескопах Very Large Array. Наблюдение показало, что квазар линзируется близкой галактикой, что приводит к возникновению двух очень похожих изображений одного и того же объекта. Изображения вытянуты вокруг объекта-линзы почти в полное кольцо. Такие двойные изображения также могут быть следствием неколлинеарного расположения источника, линзы и наблюдателя.

Первым открытым полным кольцом Эйнштейна стало B1938+666, обнаруженное Кингом и др. (1998) по оптическим данным после наблюдения линзы, проведенного на инструменте MERLIN. Галактика, чьё влияние приводит к формированию линзированного изображения B1938+666, является старой эллиптической галактикой, а линзируемый объект представляет собой тёмную карликовую галактику-спутник, которую в отсутствии линзирования мы не смогли бы пронаблюдать при современной технике.

Некоторые кольца Эйнштейна, наблюдавшиеся в обзоре SLACS

В 2005 году совместная работа в рамках обзора Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и телескопа Хаббл использовалась в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS), что привело к обнаружению 19 новых гравитационных линз, 8 из которых обладали кольцами Эйнштейна, они показаны на изображении справа. По состоянию на 2009 год в рамках обзора были найдены 85 гравитационных линз. Данный обзор позволил обнаружить наибольшее количество колец Эйнштейна в оптическом диапазоне, среди которых

• FOR J0332-3557, открытое Remi Cabanac и др. в 2005 году, примечательно большим красным смещением, что позволяет использовать объект для исследования ранних этапов развития Вселенной.
• «Космическая подкова» является частичным кольцом Эйнштейна, наблюдавшимся у линзы LRG 3-757, крупной яркой красной галактики. Открыто в 2007 году В. Белокуровым и др.
• SDSSJ0946+1006, «двойное кольцо Эйнштейна» открыто в 2008 году Рафаэлем Гавации и Томассо Трю и примечательно наличием нескольких колец вокруг одной гравитационной линзы.

Кольцо Эйнштейна SDP.81 и линзированная галактика

Другим примером является радио-/рентгеновское кольцо вокруг PKS 1830—211, неожиданно яркое в радиодиапазоне. Кольцо открыли в рентгеновском диапазоне Varsha Gupta и др. по наблюдениям телескопа Чандра. Это первый случай наблюдения квазара, линзированного видимой почти плашмя спиральной галактикой.

Также существует радиокольцо вокруг галактики MG1654+1346, изображение в кольце является изображением радиолопасти квазара, открытого в 1989 году G.Langston и др.

Поиск гравитационных линз

В прошлом большинство гравитационных линз было найдено случайно. Поиск гравитационных линз в северном полушарии (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), который проводили при помощи сверхбольшой антенной решётки в Нью-Мексико, позволил обнаружить 22 новые линзирующие системы. Это открыло совершенно новые пути исследования от поиска очень далёких объектов до определения величин космологических параметров для лучшего понимания вселенной.[источник не указан 489 дней]

Подобное исследование с южного полушария позволило бы нам сделать большой шаг к завершению исследований с северного полушария, а также к выявлению новых объектов для изучения. Если такое исследование будет проведено при помощи хорошо откалиброванных и хорошо настроенных инструментов и данных, то можно ожидать результата, подобным тому, что было получено в ходе исследования с северного полушария. Примером подходящих данных являются данные, полученные с помощью австралийского телескопа AT20G на базе радиоинтерферометра АТКА. Так как данные были получены с помощью прибора, измеряющего точные данные, похожего на тот, что использовали в северном полушарии, стоит ожидать хороших результатов исследования. AT20G работает на частоте до 20 ГГц в радио полях электромагнитного спектра. Так как используется высокая частота, шансы найти гравитационные линзы вырастает, ведь повышается количество малых базовых объектов (например, квазаров)

Это важно, так как проще обнаружить линзу на примере более простых объектов. Этот поиск включает в себя использование интерференционных методов определения примеров и наблюдение за ними в более высоком разрешении

Полное описание проекта сейчас готовится к публикации.

В 2009 г. в статье в Science Daily[где?] группа учёных, возглавляемая космологом[кем?] из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, шагнула вперёд в использовании гравитационного линзирования для изучения более старых и меньших по размеру объектов, чем было возможно изучить ранее. Учёные утверждают, что слабое гравитационное линзирование улучшает качество измерений отдалённых галактик.[источник не указан 489 дней]

Астрономы из общества научных исследований имени Макса Планка обнаружили самую отдалённую на тот момент галактику с эффектом гравитационного линзирования (J1000+0221) с помощью телескопа Хаббл НАСА. На данный момент эта галактика остаётся самой отдалённой, разделяющей изображение на четыре. Однако международной командой астрономов с помощью телескопа Хаббл, телескопа обсерватории Кека и спектроскопии была обнаружена ещё более отдалённая галактика, раздваивающая изображением. Открытие и анализ линзы IRC 0218 были опубликованы в Astrophysical Journal Letters 23 июня 2014 г.[источник не указан 489 дней]

Наиболее интересные гравитационные линзы

Скопление SDSS J1038+4849

Эффект гравитационного линзирования астрономам удалось зафиксировать благодаря мощным оптическим приборам. Среди них орбитальный телескоп Хаббл. К примеру, совсем недавно при помощи телескопа Хаббл был сделан снимок галактического кластера SDSS J1038+4849, состоящего из двух галактик. Излучение одной галактики проходит через другую в результате чего образуется эффект Эйнштейновского Кольца – одной из разновидностей гравитационного линзирования.

Сливающиеся галактики в удаленной части Вселенной: вид через гравитационную линзу

А вот второй схожий объект был обнаружен уже при помощи телескопа Гершель, который был запущен на орбиту в 2009 году. Данный объект представляет собой галактический кластер со сложно запоминающимся именем – H1429-0028. Этот кластер так же, как и предыдущий, состоит из 2-ух галактик, одна из которых выступает линзой. В данном случае вы так же будете наблюдать Кольцо Эйнштейна.

Если же вам интересно увидеть Эйнштейновский Крест, вам придется воспользоваться сверхмощным телескопом. Наведя его на созвездие Пегаса, вы сможете увидеть Крест, который является производным далекого квазара. По некоторым подсчетам он удален от нас на 11 миллиардов световых лет. Спиральная галактика-линза, благодаря которой мы можем наблюдать подобный эффект находится в 10 раз ближе квазара, практически на одной линии с ним.

Интересные факты

1. Эффект гравитационного линзирования упоминается в недавно вышедшем фантастическом фильме «Интерстеллар».
2. Эффекты Эйнштейновского Креста и Кольца названы в честь их первооткрывателя – знаменитого физика Альберта Эйнштейна.
3. Визуально наблюдать гравитационное линзирование можно только в тех случаях, когда масса линзы равняется 1012масс нашего Солнца.
4. При помощи гравитационного линзирования можно обнаружить неяркие объекты, а потому и невидимые объекты во Вселенной. Когда свет из отдаленного источника попадаете на такой объект, то как бы вспыхивает. Такой эффект называется гравитационным микролинзированием. С его помощью астрономам удалось обнаружить коричневые карлики, которые нельзя было увидеть другим способом.
5. На сегодняшний день использование эффекта гравитационной линзы – единственный способ обнаружить темный, удаленный объект в космосе.

История

Изгиб света гравитационным телом был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1912, за несколько лет до публикации Общей теории относительности в 1916 (см. Renn и др. 1997). Кольцевой эффект был сначала упомянут в академической литературе Орестом Чуолсоном в 1924. Эйнштейн заметил относительно этого эффекта в 1936 в газете, побужденной письмом чешского инженера, Р В Мандла http://www .slac.stanford.edu/pubs/beamline/31/1/31-1-maurer.pdf, но заявил

В этом заявлении β — Радиус Эйнштейна, в настоящее время обозначаемый (см. выше). Однако Эйнштейн только считал шанс наблюдения колец Эйнштейна произведенным звездами, который является низким; однако, шанс наблюдения произведенных большими линзами, такими как галактики или черные дыры выше начиная с углового размера кольца Эйнштейна увеличения с массой линзы.

Известные кольца Эйнштейна

Сотни гравитационных линз в настоящее время известны. Приблизительно полдюжины из них — частичные кольца Эйнштейна с диаметрами до arcsecond, хотя или как массовое распределение линз не отлично в осевом направлении симметрично, или как источник, линза, и наблюдатель отлично не выровнен, мы должны все же видеть, что прекрасный Эйнштейн звонит. Большинство колец было обнаружено в радио-диапазоне. Степень полноты, необходимой для изображения, которое, как замечают через гравитационную линзу, готовилось как кольцо Эйнштейна, должна все же быть определена.

Первое кольцо Эйнштейна было обнаружено Хьюиттом и др. (1988), кто наблюдал радио-источник MG1131+0456, используя Очень Большой массив. Это наблюдение видело квазар, линзовый более близкой галактикой в два отдельных, но очень подобных изображения того же самого объекта, изображения, протянутые вокруг линзы в почти полное кольцо. Эти двойные изображения — другой возможный эффект источника, линзы и наблюдателя, не отлично выравниваемого.

Первое полное кольцо Эйнштейна, которое будет обнаружено, было B1938+666, который был найден Королем и др. (1998) через оптическое продолжение с Космическим телескопом Хабблa гравитационной линзы, изображенной с MERLIN. Галактика, вызывающая линзу в B1938+666, является древней эллиптической галактикой, и изображение, которое мы видим через линзу, является темной карликовой спутниковой галактикой, которую мы иначе не были бы в состоянии видеть с современной технологией.

В 2005 объединенная власть Sloan Digital Sky Survey(SDSS) с Космическим телескопом Хабблa использовалась в линзе Слоана Современная камера для обзоров (SLACS), чтобы найти 19 новых гравитационных линз, 8 из которых показали кольца Эйнштейна, это 8, показанные по изображению вправо. С 2009 этот обзор нашел 85 подтвержденных гравитационных линз, еще нет числа для того, сколько шоу звонит Эйнштейн. Этот обзор ответственен за большинство недавних открытий Эйнштейна, звенит в оптическом диапазоне, следующее некоторые примеры, которые были найдены:

• ДЛЯ J0332-3557, обнаруженного Remi Cabanac и др. в 2005, известного его высокому красному смещению, которое позволяет нам использовать его, чтобы сделать наблюдения о ранней вселенной.
• «Космическая Подкова» является частичным кольцом Эйнштейна, которое наблюдалось через гравитационную линзу LRG 3-757, отчетливо большой Яркой Красной Галактики. Это было обнаружено в 2007 N.W.Evans и др.
• SDSSJ0946+1006, «двойное кольцо Эйнштейна» было обнаружено Рафаэлем Гэвэззи и Томассо Треу в 2008, известный присутствию многократных колец, наблюдаемых через ту же самую гравитационную линзу, значение которой объяснено в следующей секции на дополнительных кольцах.

Другой пример — радио/Рентген кольцо Эйнштейна вокруг PKS 1830-211, который необычно силен в радио. Это было обнаружено в рентгене Вэршей Гуптой и др. в обсерватории рентгена Chandra, Это также известно тому, что было первым случаем квазара, являющегося линзовым почти лицо — на спиральной галактике.

Есть также радио-кольцо вокруг галактики MG1654+1346, изображение в кольце — изображение лепестка радио квазара, обнаруженного в 1989 G.Langston и др.

Общие сведения

Линзирование в скоплении галактик Abell 2218

В действительности, гравитационное линзирование – это эффект, который обладают не только крупные, но и мелкие космические объекты. Суть его заключается в том, что когда наблюдатель смотрит на дальний источник света в космосе через другой космический объект, форма дальнего источника света искажается. Такое искажение источника света может быть вызвано звездой или галактикой, через которую проходит свет от отдаленного объекта.

Существуют также данные, свидетельствующие о том, что искажать свет могут не только звезды и галактики, но и малые астрономические тела, например, планеты. Однако в данном случае искажение будет настолько незначительным, что зафиксировать его можно будет только при помощи сверхмощных оптических приборов, да и то зафиксированная величина будет чисто формальной.

Эффект гравитационного линзирования был обнаружен относительно не так давно. Только с появлением новейших телескопов ученым удалось наблюдать этот интересный эффект и детально исследовать механизм его появления. О том, как происходит механизм линзирования мы поговорим в следующем пункте.

Теория

Уравнение гравитационного линзирования

Гравитационную линзу можно рассматривать как обычную линзу, но только с коэффициентом преломления, зависящим от положения. Тогда общее уравнение для всех моделей можно записать следующим образом:

η=DsDdξ−Ddsα^(ξ){\displaystyle \eta ={\frac {D_{s}}{D_{d}}}\xi -D_{ds}{\hat {\alpha }}(\xi )}

где η — координата источника, ξ — расстояние от центра линзы до точки преломления (прицельный параметр) в плоскости линзы, D_s, D_d — расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, D_ds — расстояние между линзой и источником, α — угол отклонения, вычисляемый по формуле:

α=4Gc∫R2(ξi−ξ′)Σ(ξ)|ξi−ξ′|2,{\displaystyle \alpha ={\frac {4G}{c}}\int _{R^{2}}{\frac {(\xi _{i}-\xi ‘)\Sigma (\xi )}{|\xi _{i}-\xi ‘|^{2}}},}

где Σ — поверхностная плотность, вдоль которой «скользит» луч. Если обозначить характерную длину в плоскости линзы ξ, а соответствующую ей величину в плоскости источника η = ξD_s/D_l и ввести соответствующие безразмерные векторы x = ξ/ξ и y = η/η, то уравнение линзы можно записать в следующем виде:

y=x−▽ψ(x)=▽(12×2−ψ(x)){\displaystyle y=x-\bigtriangledown \psi (x)=\bigtriangledown \left({\frac {1}{2}}x^{2}-\psi (x)\right)}

Тогда, если ввести функцию, ϕ(x,y)=(x−y)22−ψ(x),{\displaystyle \phi (x,y)={\frac {(x-y)^{2}}{2}}-\psi (x),} называемую потенциалом Ферма, то можно записать уравнение следующим образом:

▽ϕ(x,y)={\displaystyle \bigtriangledown \phi (x,y)=0.}

Временну́ю задержку между изображениями также принято записывать через потенциал Ферма:

T(x,y)=1cξ2DsDlDls(1+zl)|ϕ(xi,y)−ϕ(xj,y)|{\displaystyle T(x,y)={\frac {1}{c}}\xi _{0}^{2}{\frac {D_{s}}{D_{l}D_{ls}}}(1+z_{l})|\phi (x_{i},y)-\phi (x_{j},y)|}

Иногда удобно выбрать масштаб ξ = D_l, тогда x и y — это угловое положение изображения и источника соответственно.