Gravitációs lencse

A gravitációs lencse  egy hatalmas test ( bolygó , csillag , galaxis , galaxishalmaz , sötét anyaghalmaz ), amely gravitációs terével megváltoztatja az elektromágneses sugárzás terjedésének irányát, ahogy egy közönséges lencse fénysugár iránya. A fénysugár gravitáció hatására bekövetkező görbületének jelenségét A. Einstein általános relativitáselmélete (GR) jósolta meg , a gravitációs lencsék felfedezése pedig a GR egyik megerősítése [1] [2] [3]. [4] .

A gravitációs lencsék, amelyek jelentősen torzíthatják egy háttérobjektum képét, általában meglehetősen nagy tömegkoncentrációk: galaxisok és galaxishalmazok. A kompaktabb objektumok - például a csillagok  - szintén eltérítik a fénysugarakat, de olyan kis szögben, hogy a legtöbb esetben nem lehet rögzíteni egy ilyen eltérést. Ebben az esetben általában csak abban a pillanatban észlelheti a lencse tárgy fényerejének rövid növekedését, amikor a lencse áthalad a Föld és a háttérobjektum között. Ha a lencse tárgya világos, akkor szinte lehetetlen észrevenni egy ilyen változást. Ha az objektív tárgya nem világos vagy egyáltalán nem látható, akkor egy ilyen rövid távú villanás jól megfigyelhető. Az ilyen típusú eseményeket mikrolencsésnek nevezzük . Az érdeklődés itt nem magával a lencsézési folyamattal függ össze, hanem azzal a ténnyel, hogy lehetővé teszi a hatalmas és egyébként láthatatlan anyagfelhalmozódások észlelését.

A mikrolenizálási kutatás másik területe az volt, hogy kausztikus anyagokat használnak , hogy információkat szerezzenek magáról a lencse tárgyáról és a fényforrásról, amelynek fényét fókuszálja. A mikrolencsés események túlnyomó többsége jól illeszkedik ahhoz a feltételezéshez, hogy mindkét test gömb alakú. Az esetek 2-3%-ában azonban komplex fényességgörbe figyelhető meg, további rövid csúcsokkal, ami a lencsés képeken maró hatás kialakulását jelzi [5] . Ez a helyzet akkor fordulhat elő, ha a lencse szabálytalan alakú, például ha két vagy több sötét masszív testből áll. Az ilyen események megfigyelése minden bizonnyal érdekes a sötét kompakt objektumok természetének tanulmányozása szempontjából. Példa a kettős lencse paramétereinek sikeres meghatározására a kausztikus anyagok vizsgálatával az OGLE-2002-BLG-069 mikrolencsés eset [6] . Ezen túlmenően vannak javaslatok a maró mikrolencsék alkalmazására egy forrás geometriai alakjának meghatározására, vagy egy kiterjesztett háttér objektum fényességprofiljának tanulmányozására, és különösen az óriáscsillagok légkörének tanulmányozására.

Észrevételek

Leírás

Az optikai lencsékkel ellentétben a gravitációs lencse a középpontjához legközelebb eső fényt hajlítja meg leginkább, és a középponttól legtávolabbi fényt a legkevésbé. Ezért a gravitációs lencsének nincs fókuszpontja , de van fókuszvonala. A "lencse" kifejezést, amely a fény gravitáció miatti eltérülését jelenti, először Oliver Lodge használta, aki megjegyezte, hogy "nem érvényes azt állítani, hogy a Nap gravitációs tere lencseként működik, mivel nincs gyújtótávolsága " . 7] . Ha a fényforrás, a masszív lencseobjektum és a megfigyelő egymáshoz igazodik, a fényforrást gyűrűnek fogjuk látni a masszív tárgy körül. Ha a testek egymáshoz viszonyított helyzete eltér az egyenes vonaltól, a megfigyelő az ívnek csak egy részét fogja látni. Ezt a jelenséget először egy leningrádi Orest Danilovich Khvolson fizikus említette 1924-ben [8] , számszerű becsléseket pedig Albert Einstein készített 1936 -ban [9] . A szakirodalomban ezt a hatást általában Einstein-gyűrűnek nevezik , mivel Khwolson nem számította ki sem a látható gyűrű fényességét, sem sugarát. Általánosabban fogalmazva, ha a gravitációs lencsék hatását testek rendszere ( galaxisok csoportja vagy halmaza ) okozza, amely nem rendelkezik gömbszimmetriával, a fényforrás a lencse körül elhelyezkedő ívek részeként lesz látható a megfigyelő számára. A megfigyelő ebben az esetben képes lesz látni ugyanannak az objektumnak az ívelt, sokszorosított képeit. Számuk és alakjuk függ a fényforrás (objektum), a lencse és a megfigyelő egymáshoz viszonyított helyzetétől, valamint a lencsés tárgy által létrehozott gravitációs potenciál alakjától [10] .

A gravitációs lencséknek három osztálya van [7] [11] :

  1. Erős gravitációs lencse , amely könnyen megkülönböztethető torzulásokat okoz, mint például Einstein gyűrűje, ívei és megsokszorozott képek.
  2. Gyenge gravitációs lencse , amely csak kis torzulást okoz a lencse mögött lévő tárgy (a továbbiakban: háttérobjektum) képében. Ezeket a torzulásokat csak nagyszámú háttérobjektum statisztikai elemzése után lehet kijavítani, ami lehetővé teszi, hogy a képeiken kis konzisztens torzulást találjunk. Az objektívezés a kép enyhe megnyúlásában nyilvánul meg, merőlegesen a lencse középpontjának irányára. Nagyszámú távoli háttérgalaxis alakjának és orientációjának tanulmányozásával bármely régióban meg tudjuk mérni a lencseteret. Ezekkel az adatokkal pedig rekonstruálható a tömegek eloszlása ​​a tér adott régiójában; ez a módszer különösen a sötét anyag eloszlásának tanulmányozására használható . Mivel maguk a galaxisok ellipszis alakúak, és a gyenge lencsékből eredő torzítás kicsi, ez a módszer nagyszámú háttérgalaxis megfigyelését igényli. Az ilyen felméréseknek gondosan figyelembe kell venniük a szisztematikus hiba számos forrását : a galaxisok megfelelő alakját, a fényérzékeny tömb térbeli válaszfüggvényét, a légköri torzulásokat stb. A vizsgálatok eredményei fontosak a kozmológiai paraméterek becsléséhez, a jobb megértéshez és fejlesztéshez. a Lambda-CDM modellt , és azért is, hogy konzisztenciaellenőrzést biztosítsunk más kozmológiai megfigyelésekkel [12] .
  3. A mikrolencse nem okoz megfigyelhető alaktorzulást , de átmenetileg megnő a megfigyelő által a háttérobjektumtól kapott fény mennyisége. A lencsevégre kerülő objektum lehet a Tejútrendszer csillagai , azok bolygói, a fényforrás pedig a távoli galaxisok vagy kvazárok csillagai , amelyek még távolabbi távolságban találhatók. Ellentétben az első két esettel, a megfigyelt mintázat változása a mikrolencsésítés során egy jellemző időtartam alatt, másodpercektől több száz napig megy végbe. A mikrolencse lehetővé teszi a csillagok tömegének nagyságrendjébe eső halványan világító objektumok (például fehér törpék ) számának becslését a Galaxisban, amelyek hozzájárulhatnak a sötét anyag barionos összetevőjéhez. Ezenkívül a mikrolencsés eljárás az egyik módszer az exobolygók felkutatására .

A gravitációs lencsék egyformán hat minden típusú elektromágneses sugárzásra , nem csak a látható fényre. A fent ismertetett galaxisfelmérések mellett a gyenge lencsét a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra gyakorolt ​​hatása alapján lehet tanulmányozni . Erős lencsézés volt megfigyelhető a rádió- és röntgensugár- tartományban.

Erős gravitációs lencsék esetén, ha a háttértárgy több képét is megfigyeljük, akkor a forrásból érkező fény különböző utakon haladva különböző időpontokban érkezik a megfigyelőhöz; ennek a késleltetésnek a mérése (például változó fényerejű háttérkvazárról) lehetővé teszi a tömegeloszlás becslését a látóvonal mentén.

Gravitációs lencsék keresése

A múltban a legtöbb gravitációs lencsét véletlenül találták meg. Az északi féltekén végzett gravitációs lencsék keresése (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), amelyet a Very Large Array rádióteleszkóppal végeztek Új-Mexikóban, 22 új lencserendszert tártak fel. Ez teljesen új kutatási utakat nyitott meg, a nagyon távoli objektumok keresésétől a kozmológiai paraméterek értékeinek meghatározásáig az univerzum jobb megértése érdekében.

Egy ilyen déli féltekén végzett vizsgálat lehetővé tenné számunkra, hogy nagy lépést tegyünk az északi féltekén végzett vizsgálatok befejezése felé, valamint új vizsgálandó objektumok azonosítása felé. Ha egy ilyen vizsgálatot jól kalibrált és jól hangolt műszerekkel végeznek, akkor az északi féltekéről végzett vizsgálathoz hasonló eredmények várhatók. A megfelelő adatra példa az ATKA rádióinterferométeren alapuló ausztrál AT20G teleszkóp. Mivel az adatokat az északi féltekén használthoz hasonló precíziós műszerrel nyertük, jó eredményeket kell várni a vizsgálattól. Az AT20G 20 GHz -ig működik az elektromágneses spektrum rádiómezőiben. Mivel nagy frekvenciát használunk, megnő a gravitációs lencsék megtalálásának esélye, mivel megnő a kis alaptárgyak (például kvazárok) száma. Ez azért fontos, mert egyszerűbb tárgyak példáján könnyebben észlelhető a lencse. Ez a keresés magában foglalja az interferencia módszerek használatát a példák azonosítására és nagyobb felbontású megfigyelésére. A projekt teljes leírása most készül publikálásra.

A Max Planck Tudományos Kutatási Társaság csillagászai a NASA Hubble-teleszkópja segítségével fedezték fel az akkori legtávolabbi gravitációs lencsés galaxist (J1000+0221) . Jelenleg ez a galaxis marad a legtávolabbi, négy részre osztva a képet. Egy nemzetközi csillagászcsapat azonban a Hubble-teleszkóp és a Keck Obszervatórium -teleszkóp segítségével spektroszkópiai módszerekkel fedezett fel egy még távolabbi galaxist, amely kettészeli a képet. Az IRC 0218 lencse felfedezését és elemzését az Astrophysical Journal Letters 2014. június 23-án tették közzé.

Elmélet

A gravitációs lencsét közönséges lencsének tekinthetjük, de csak helyzetfüggő törésmutatóval. Ekkor az összes modell általános egyenlete a következőképpen írható fel [13] :

ahol η  a forrás koordinátája, ξ  a lencse középpontja és a töréspont távolsága ( ütési paraméter ) a lencse síkjában, D s , D d  a megfigyelő és a forrás és a lencse közötti távolság, D ds  a lencse és a forrás közötti távolság, α  a szögeltérés, a következő képlettel számítva:

ahol Σ  az a felületi sűrűség, amely mentén a nyaláb "csúszik". Ha a lencse síkjában a karakterisztikus hosszt ξ 0 -val, a megfelelő értéket a forrássíkban η 0 = ξ 0 D s / D l -ként jelöljük , és bevezetjük a megfelelő x = ξ/ξ 0 és y = η dimenzió nélküli vektorokat. /η 0 , akkor a lencseegyenlet a következő formában írható fel:

Ekkor, ha bevezetünk egy Fermat-potenciál nevű függvényt, akkor a következőképpen írhatjuk fel az egyenletet [13] :

A képek közötti késleltetést általában a Fermat-potenciál alapján írják le [13] :

Néha célszerű a ξ 0 = D l léptéket választani , ekkor x és y  a kép és a forrás szöghelyzete.

Jegyzetek

  1. ↑ Bernard F. Schutz. Az általános relativitáselmélet első kurzusa . illusztrált, herdruk. - Cambridge University Press, 1985. - P. 295. - ISBN 978-0-521-27703-7 . Archiválva : 2020. július 10. a Wayback Machine -nél
  2. ↑ Wolfgang Rindler. Relativitáselmélet: speciális, általános és kozmológiai . — 2. - OUP Oxford, 2006. - P. 21. - ISBN 978-0-19-152433-2 . Archivált 2022. január 9-én a Wayback Machine -nél Kivonat a 21. oldalról Archivált 2022. január 9-én a Wayback Machine -nél
  3. ↑ Kunstatter Gábor. Általános relativitáselmélet és relativisztikus asztrofizika – A 4. kanadai konferencia  anyaga / Kunstatter Gábor, Jeffrey G Williams, DE Vincent. - World Scientific, 1992. - P. 100. - ISBN 978-981-4554-87-9 . Archivált 2022. április 4-én a Wayback Machine -nél Kivonat a 100. oldalról Archivált 2022. április 4-én a Wayback Machine -nél
  4. ↑ Pekka Teerikorpi. A fejlődő világegyetem és az élet eredete: Kozmikus gyökereink keresése  / Pekka Teerikorpi, Mauri Valtonen, K. Lehto … [ és mások ] . — illusztrálva. - Springer Science & Business Media, 2008. - P. 165. - ISBN 978-0-387-09534-9 . Archivált 2022. április 4-én a Wayback Machine -nél Kivonat a 165. oldalról Archiválva 2022. április 4-én a Wayback Machine -nél
  5. ↑ Dominik M. A hajtási szingularitások körüli mikrolencsés fénygörbék elmélete és gyakorlata  // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  . - 2004. - 20. évf. 353.- Iss. 1 . - P. 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 A gravitációs lencsék korai története (2006. február 14.). Archiválva az eredetiből 2008. július 25-én.
  9. ↑ A gravitációs lencsék rövid története - Einstein Online . www.einstein-online.info _ Hozzáférés időpontja: 2016. június 29. Az eredetiből archiválva : 2016. július 1.
  10. ↑ Brill D. Black Hole Horizons and How They Begin Archiválva : 2014. szeptember 16., a Wayback Machine , Astronomical Review (2012); Online cikk, idézve 2012. szeptember]
  11. ↑ Melia F. A galaktikus szupermasszív fekete lyuk. - Princeton University Press , 2007. - S. 255-256. - ISBN 0-691-13129-5 .
  12. ↑ Refregier A. Gyenge gravitációs lencsék a nagyméretű szerkezet miatt  //  Annual Review of Astronomy and Astrophysics. - Annual Reviews , 2003. - Vol. 41 , iss. 1 . - P. 645-668 . doi : 10.1146 / annurev.astro.41.111302.102207 . - Iránykód . — arXiv : astro-ph/0307212 .
  13. ↑ 1 2 3 Zakharov A.F. Gravitációs lencsék és mikrolencsék. - M. : Janus-K, 1997. - ISBN 5-88929-037-1 .

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák