Gravitační čočka

Gravitační čočka  je masivní těleso ( planeta , hvězda , galaxie , kupa galaxií , kupa temné hmoty ), které svým gravitačním polem mění směr šíření elektromagnetického záření , stejně jako obyčejná čočka mění směr světelného paprsku. Samotný jev zakřivení světelného paprsku vlivem gravitace předpověděla obecná teorie relativity (GR) A. Einsteina a objev gravitačních čoček byl jedním z potvrzení GR [1] [2] [3] [4] .

Gravitační čočky, které mohou výrazně zkreslit obraz objektu na pozadí, jsou zpravidla poměrně velké koncentrace hmoty: galaxie a kupy galaxií. Kompaktnější objekty - například hvězdy  - také vychylují světelné paprsky, ale v tak malých úhlech, že ve většině případů není možné takovou odchylku opravit. V tomto případě můžete obvykle zaznamenat pouze krátké zvýšení jasu objektivu v okamžiku, kdy objektiv prochází mezi Zemí a objektem na pozadí. Pokud je objekt objektivu světlý, pak je téměř nemožné takovou změnu zaznamenat. Pokud objekt čočky není jasný nebo není vůbec vidět, lze takový krátkodobý záblesk dobře pozorovat. Události tohoto typu se nazývají mikročočky . Zájem zde není spojen se samotným procesem čočky, ale s tím, že umožňuje detekovat masivní a jinak neviditelné nahromadění hmoty.

Další oblastí výzkumu mikročočky byla myšlenka použití žíravin k získání informací jak o samotném objektu čočky, tak o zdroji, jehož světlo zaostřuje. Naprostá většina mikročočkových událostí dobře odpovídá předpokladu, že obě tělesa jsou sférická. Ve 2–3 % všech případů je však pozorována složitá křivka jasu s dalšími krátkými vrcholy, což ukazuje na tvorbu žíravin v čočkových obrazech [5] . Tato situace může nastat, pokud má čočka nepravidelný tvar, například pokud se skládá ze dvou nebo více tmavých masivních těles. Pozorování takových událostí je jistě zajímavé pro studium povahy tmavých kompaktních objektů. Příkladem úspěšného stanovení parametrů dvojité čočky studiem kaustiky je případ mikročočky OGLE-2002-BLG-069 [6] . Kromě toho existují návrhy použít kaustické mikročočky k určení geometrického tvaru zdroje nebo ke studiu jasového profilu rozšířeného objektu na pozadí, a zejména ke studiu atmosfér obřích hvězd.

Pozorování

Popis

Na rozdíl od optické čočky gravitační čočka ohýbá světlo nejblíže svému středu nejvíce a nejméně ohýbá světlo nejdále od středu. Proto gravitační čočka nemá ohnisko , ale má ohniskovou čáru. Termín „čočka“, který znamená vychylování světla vlivem gravitace, poprvé použil Oliver Lodge, který poznamenal, že „není platné říkat, že gravitační pole Slunce působí jako čočka, protože nemá ohniskovou vzdálenost “ [ 7] . Pokud jsou zdroj světla, masivní čočkový objekt a pozorovatel zarovnány, bude zdroj světla vidět jako prstenec kolem masivního objektu. Pokud se vzájemná poloha těles odchyluje od přímé linie, pozorovatel bude schopen vidět pouze část oblouku. Poprvé se o tomto jevu zmínil fyzik z Leningradu Orest Danilovich Khvolson v roce 1924 [8] , numerické odhady provedl Albert Einstein v roce 1936 [9] . V literatuře se tento efekt obvykle nazývá Einsteinův prstenec , protože Khwolson nevypočítal ani jas, ani poloměr viditelného prstence. Obecněji řečeno, když je účinek gravitační čočky způsoben systémem těl (skupina nebo kupa galaxií ), která nemá sférickou symetrii, bude zdroj světla pro pozorovatele viditelný jako části oblouků umístěných kolem čočky. Pozorovatel v tomto případě bude schopen vidět zakřivené násobené obrazy stejného objektu. Jejich počet a tvar závisí na vzájemné poloze světelného zdroje (objektu), čočky a pozorovatele a také na tvaru gravitační potenciálové jámy vytvořené čočkovým objektem [10] .

Existují tři třídy gravitačních čoček [7] [11] :

  1. Silná gravitační čočka způsobující snadno rozlišitelná zkreslení, jako je Einsteinův prstenec, oblouky a znásobené obrazy.
  2. Slabá gravitační čočka , která způsobuje pouze malé zkreslení obrazu předmětu, který je za čočkou (dále jen objekt na pozadí). Tato zkreslení lze opravit pouze po statistické analýze velkého počtu objektů na pozadí, což umožňuje nalézt malé konzistentní zkreslení jejich obrázků. Čočkování se projevuje mírným roztažením obrazu kolmo ke směru ke středu čočky. Studiem tvaru a orientace velkého počtu vzdálených galaxií v pozadí jsme schopni změřit pole čočky v jakékoli oblasti. Tato data lze zase použít k rekonstrukci rozložení hmot v dané oblasti prostoru; zejména lze tuto metodu použít ke studiu distribuce temné hmoty . Protože samotné galaxie jsou eliptické a zkreslení ze slabé čočky je malé, vyžaduje tato metoda pozorování velkého počtu galaxií v pozadí. Takové průzkumy musí pečlivě brát v úvahu mnoho zdrojů systematických chyb : správný tvar galaxií, funkci prostorové odezvy fotosenzitivního pole, atmosférické zkreslení atd. Výsledky těchto studií jsou důležité pro odhadování kosmologických parametrů, pro lepší pochopení a vývoj. model Lambda-CDM a také pro, aby byla zajištěna kontrola konzistence s jinými kosmologickými pozorováními [12] .
  3. Mikročočka nezpůsobuje žádné pozorovatelné tvarové zkreslení, ale dočasně se zvýší množství světla přijatého pozorovatelem z objektu na pozadí. Objektem čočky mohou být hvězdy Mléčné dráhy , jejich planety a zdrojem světla mohou být hvězdy vzdálených galaxií nebo kvasarů , které se nacházejí v ještě větší vzdálenosti. Na rozdíl od prvních dvou případů ke změně pozorovaného vzoru během mikročočky dochází během charakteristického času od sekund až po stovky dní. Mikročočka umožňuje odhadnout počet slabě svítících objektů s hmotností v řádu hvězdných hmotností (například bílých trpaslíků ) v Galaxii, které mohou do určité míry přispět k baryonální složce temné hmoty. Kromě toho je mikročočka jednou z metod hledání exoplanet .

Gravitační čočky působí stejně na všechny typy elektromagnetického záření , nejen na viditelné světlo. Kromě výše popsaných průzkumů galaxií lze slabou čočku studovat z jejího vlivu na záření kosmického mikrovlnného pozadí . Silná čočka byla pozorována v rádiovém a rentgenovém rozsahu.

V případě silné gravitační čočky, pokud je pozorováno několik obrazů objektu na pozadí, pak světlo ze zdroje, jdoucí různými cestami, dorazí k pozorovateli v různých časech; měření tohoto zpoždění (například z kvazaru pozadí s proměnnou jasností) umožňuje odhadnout rozložení hmoty podél linie pohledu.

Hledat gravitační čočky

V minulosti byla většina gravitačních čoček nalezena náhodou. Hledání gravitačních čoček na severní polokouli (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), které bylo provedeno pomocí radioteleskopu Very Large Array v Novém Mexiku, odhalilo 22 nových systémů čoček. To otevřelo zcela nové cesty výzkumu, od hledání velmi vzdálených objektů až po určování hodnot kosmologických parametrů pro lepší pochopení vesmíru.

Taková studie z jižní polokoule by nám umožnila udělat velký krok k dokončení studií ze severní polokoule a také k identifikaci nových objektů pro studium. Pokud je taková studie provedena s dobře zkalibrovanými a dobře vyladěnými přístroji, lze očekávat výsledky podobné těm, které byly získány při studii ze severní polokoule. Příklad vhodných dat je z australského dalekohledu AT20G založeného na radiovém interferometru ATKA. Vzhledem k tomu, že data byla získána přesným přístrojem podobným tomu, který se používá na severní polokouli, lze od studie očekávat dobré výsledky. AT20G pracuje až do 20 GHz v rádiových polích elektromagnetického spektra. Protože se používá vysoká frekvence, zvyšuje se šance na nalezení gravitačních čoček, protože se zvyšuje počet malých základních objektů (například kvasarů). To je důležité, protože je snazší detekovat čočku na příkladu jednodušších objektů. Toto vyhledávání zahrnuje použití interferenčních metod k identifikaci příkladů a jejich pozorování ve vyšším rozlišení. Úplný popis projektu se nyní připravuje ke zveřejnění.

Astronomové ze Společnosti Maxe Plancka pro vědecký výzkum objevili v té době nejvzdálenější galaxii s gravitační čočkou (J1000+0221) pomocí Hubbleova teleskopu NASA . V tuto chvíli zůstává tato galaxie nejvzdálenější a rozděluje obraz na čtyři. Mezinárodní tým astronomů však pomocí Hubbleova teleskopu a Keck Observatory Telescope objevil spektroskopickými metodami ještě vzdálenější galaxii, která obraz rozděluje. Objev a analýza čočky IRC 0218 byla publikována v Astrophysical Journal Letters dne 23. června 2014.

Teorie

Gravitační čočku lze považovat za běžnou čočku, ale pouze s indexem lomu závislým na poloze. Potom lze obecnou rovnici pro všechny modely zapsat takto [13] :

kde η  je souřadnice zdroje, ξ  je vzdálenost od středu čočky k bodu lomu ( parametr nárazu ) v rovině čočky, D s , D d  jsou vzdálenosti od pozorovatele ke zdroji a čočky, v tomto pořadí, D ds  je vzdálenost mezi čočkou a zdrojem, α  je úhlová odchylka vypočítaná podle vzorce:

kde Σ  je hustota povrchu, po které paprsek "klouže". Označíme-li charakteristickou délku v rovině čočky jako ξ 0 a odpovídající hodnotu v rovině zdroje jako η 0 = ξ 0 D s / D l a zavedeme odpovídající bezrozměrné vektory x = ξ/ξ 0 a y = η /η 0 , pak rovnici čočky lze zapsat v následujícím tvaru:

Pak, když zavedeme funkci zvanou Fermatův potenciál, můžeme rovnici napsat takto [13] :

Časová prodleva mezi snímky se také obvykle zapisuje jako Fermatův potenciál [13] :

Někdy je vhodné zvolit měřítko ξ 0 = D l , pak x a y  jsou úhlová poloha obrazu a zdroje.

Poznámky

  1. ↑ Bernard F. Schutz. První kurz obecné relativity . ilustrovaný, herdruk. - Cambridge University Press, 1985. - S. 295. - ISBN 978-0-521-27703-7 . Archivováno 10. července 2020 na Wayback Machine
  2. ↑ Wolfgang Rindler. Relativita: speciální, obecná a kosmologická . — 2. - OUP Oxford, 2006. - S. 21. - ISBN 978-0-19-152433-2 . Archivováno 9. ledna 2022 na Wayback Machine Extract ze strany 21 Archivováno 9. ledna 2022 na Wayback Machine
  3. ↑ Gabor Kunstatter. Obecná teorie relativity a relativistická astrofyzika - sborník ze 4. kanadské konference  / Gabor Kunstatter, Jeffrey G Williams, DE Vincent. - World Scientific, 1992. - S. 100. - ISBN 978-981-4554-87-9 . Archivováno 4. dubna 2022 na Wayback Machine Výpis ze strany 100 Archivováno 4. dubna 2022 na Wayback Machine
  4. ↑ Pekka Teerikorpi. Vyvíjející se vesmír a původ života: Hledání našich kosmických kořenů  / Pekka Teerikorpi, Mauri Valtonen, K. Lehto … [ a další ] . — ilustrovaný. - Springer Science & Business Media, 2008. - S. 165. - ISBN 978-0-387-09534-9 . Archivováno 4. dubna 2022 na Wayback Machine Výpis ze strany 165 Archivováno 4. dubna 2022 na Wayback Machine
  5. ↑ Dominik M. Teorie a praxe mikročočkových světelných křivek kolem vrásových singularit  // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  . - 2004. - Sv. 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. února 2006). Archivováno z originálu 25. července 2008.
  9. ↑ Stručná historie gravitační čočky - Einstein Online . www.einstein-online.info _ Datum přístupu: 29. června 2016. Archivováno z originálu 1. července 2016.
  10. ↑ Brill D. Black Hole Horizons and How They Begin Archivováno 16. září 2014 na Wayback Machine , Astronomical Review (2012); Online článek, citováno září 2012.]
  11. ↑ Melia F. Galaktická supermasivní černá díra. - Princeton University Press , 2007. - S. 255-256. - ISBN 0-691-13129-5 .
  12. ↑ Refregier A. Slabá gravitační čočka ve velkém měřítku  //  Annual Review of Astronomy and Astrophysics. - Výroční přehledy , 2003. - Sv. 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. Gravitační čočky a mikročočky. - M. : Janus-K, 1997. - ISBN 5-88929-037-1 .

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie