Большинство людей знакомы с инструментами астрономии: телескопами, специализированными инструментами и базами данных. Астрономы используют их, а также некоторые специальные методы для наблюдения за удаленными объектами. Один из таких методов называется «гравитационное линзирование».
Этот метод основан просто на специфическом поведении света при его прохождении рядом с массивными объектами. Гравитация этих областей, обычно содержащих гигантские галактики или скопления галактик, усиливает свет от очень далеких звезд, галактик и квазаров. Наблюдения с использованием гравитационного линзирования помогают астрономам исследовать объекты, существовавшие в самые ранние эпохи Вселенной. Они также показывают существование планет вокруг далеких звезд. Странным образом они также раскрывают распределение темной материи, пронизывающей Вселенную.
Механика гравитационной линзы
Концепция гравитационного линзирования проста: все во Вселенной имеет массу, и эта масса имеет гравитационное притяжение. Если объект достаточно массивен, его сильное гравитационное притяжение искривляет свет, когда он проходит мимо. Гравитационное поле очень массивного объекта, такого как планета, звезда или галактика, или скопление галактик, или даже черная дыра, сильнее притягивает объекты в ближайшем космосе. Например, когда световые лучи от более удаленного объекта проходят мимо, они захватываются гравитационным полем, изгибаются и перефокусируются. Перефокусированное «изображение» обычно представляет собой искаженный вид более удаленных объектов. В некоторых крайних случаях целые фоновые галактики (например) могут быть искажены в длинные, тощие, похожие на бананы формы под действием гравитационной линзы.
Предсказание линзирования
Идея гравитационного линзирования была впервые предложена в общей теории относительности Эйнштейна. Примерно в 1912 году Эйнштейн сам вывел математику того, как свет отклоняется при прохождении через гравитационное поле Солнца. Его идея впоследствии была проверена во время полного солнечного затмения в мае 1919 года астрономами Артуром Эддингтоном, Фрэнком Дайсоном и группой наблюдателей, размещенных в городах Южной Америки и Бразилии. Их наблюдения доказали существование гравитационного линзирования. Хотя гравитационное линзирование существовало на протяжении всей истории, можно с уверенностью сказать, что оно было впервые обнаружено в начале 1900-х годов. Сегодня его используют для изучения многих явлений и объектов в далекой Вселенной. Звезды и планеты могут вызывать эффекты гравитационного линзирования, хотя их трудно обнаружить. Гравитационные поля галактик и скоплений галактик могут производить более заметные эффекты линзирования. И теперь выясняется, что темная материя (обладающая гравитационным эффектом) также вызывает линзирование.
Типы гравитационных Лицензирование
Теперь, когда астрономы могут наблюдать линзирование во Вселенной, они разделили такие явления на два типа: сильное линзирование и слабое линзирование. . Сильное линзирование довольно легко понять – если его можно увидеть человеческим глазом на изображении (скажем, с космического телескопа Хаббл ), то оно сильное. Слабое линзирование, с другой стороны , Невозможно обнаружить невооруженным глазом. Астрономы должны использовать специальные методы, чтобы наблюдать и анализировать этот процесс.
Из-за существования темной материи все далекие галактики имеют слабую линзу. Слабое линзирование используется для определения количества темной материи в заданном направлении в космосе. Это невероятно полезный инструмент для астрономов, помогающий им понять распределение темной материи в космосе. Сильное линзирование также позволяет им видеть далекие галактики такими, какими они были. в далеком прошлом, что дает им хорошее представление о том, какими были условия миллиарды лет назад. Это также увеличивает свет от v далеких объектов, таких как самые ранние галактики, и часто дает астрономам представление об активности галактик в их молодости.
Другой тип линзирования, называемый «микролинзирование», обычно вызывается прохождением звезды перед другим или против более удаленного объекта. Форма объекта не может быть искажена, как при более сильном линзировании, но сила света колеблется. Это говорит астрономам о вероятности микролинзирования. Интересно, что планеты также могут участвовать в микролинзировании, когда они проходят между нами и своими звездами.
Гравитационное линзирование происходит на всех длинах волн света, от радио и инфракрасного до видимого и ультрафиолетового, что имеет смысл, поскольку все они являются частью спектра электромагнитного излучения, которым омывается Вселенная.
Первая гравитационная линза
Первая гравитационная линза (кроме эксперимента по линзированию затмения 1919 года) была обнаружена в 1979 году, когда астрономы посмотрел на что-то, получившее название «Twin QSO». QSO – это сокращение от «квазизвездного объекта» или квазара. Первоначально эти астрономы думали, что этот объект может быть парой близнецов квазаров. После тщательных наблюдений с использованием Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне астрономы смогли выяснить, что в космосе не было двух одинаковых квазаров (далеких очень активных галактик) рядом друг с другом. Вместо этого они фактически были двумя изображениями более далекого квазара, которые были созданы, когда свет квазара проходил вблизи очень мощной гравитации по его пути. Это наблюдение было сделано в оптическом свете (видимый свет) и позже было подтверждено радионаблюдениями с использованием Very Large Array в Нью-Мексико..
Кольца Эйнштейна
С тех пор было обнаружено множество объектов с гравитационной линзой. Самыми известными являются кольца Эйнштейна, которые представляют собой линзированные объекты, свет которых образует «кольцо» вокруг линзирующего объекта. В том случае, когда далекий источник, линзирующий объект и телескопы на Земле совпадают, астрономы могут увидеть световое кольцо. Они называются «кольцами Эйнштейна», названные, конечно, в честь ученого, чья работа предсказала явление гравитационного линзирования.
Знаменитый крест Эйнштейна
Еще один известный объект с линзой – квазар под названием Q2237 + 030. , или Крест Эйнштейна. Когда свет квазара на расстоянии около 8 миллиардов световых лет от Земли прошел через продолговатую галактику, он создал эту странную форму. Появились четыре изображения квазара (пятое изображение в центре не видно невооруженным глазом), образующих ромбовидную или крестообразную форму. Линзирующая галактика находится намного ближе к Земле, чем квазар, на расстоянии около 400 миллионов световых лет. Этот объект несколько раз наблюдался космическим телескопом Хаббл.
Сильное линзирование удаленных объектов в Космосе
На космическом расстоянии масштаба, Космический телескоп Хаббла регулярно делает другие изображения гравитационного линзирования. Во многих его представлениях далекие галактики размазаны по дугам. Астрономы используют эти формы для определения распределения массы в скоплениях галактик, выполняющих линзирование, или для определения их распределения темной материи. Хотя эти галактики обычно слишком тусклые, чтобы их можно было легко увидеть, гравитационное линзирование делает их видимыми, передавая информацию на миллиарды световых лет для изучения астрономами.
Астрономы продолжают изучать эффекты линзирования, особенно когда задействованы черные дыры. Их интенсивная гравитация также рассеивает свет, как показано в этой модели с использованием изображения неба HST для демонстрации.
