Гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование квазара HE 1104-1805
Гравитационное линзирование – один из интереснейших космических эффектов, который способны вызывать практически все крупные объекты во Вселенной.
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.
Механизм линзирования
Схема гравитационного линзированния
По логике, свет, исходящий от дальнего квазара (одного из наиболее ярких объектов во Вселенной) или галактики в направлении Земли, должен попадать на Землю под прямым углом. Однако в некоторых случаях на пути этого света встречается другая галактика или сверхмассивная звезда, гравитационное поле, которое притягивает к себе электромагнитное излучение, направленное отдаленным объектом. Вследствие этого возникает эффект гравитационного линзирования, которому и посвящена эта статья.
Получается, что свет отдаленного объекта, попадая на галактику, находящуюся между ним и наблюдателем, искажает истинную форму источника, который послал его на Землю. Точно так же делает обычная линза. Свет, попадая на нее, искажается. Если посмотреть через нее на объект, пославший свет, мы увидим, что он стал намного крупнее.
Форма, которую гравитационное линзирование придает отдаленному источнику света, может отличаться, в зависимости от того, через какой объект в космическом пространстве проходят его лучи. Известные примеры искажения формы источника света мы приведем в следующем пункте.
Кольцо и Крест Эйнштейна
Современному научному сообществу известно два возможных результата гравитационного линзирования: Кольцо и Крест Эйнштейна. Оба они зависят оттого, через какую структуру в космосе проходит свет. Если свет поступает к наблюдателю через компактную галактику, форма объекта испустившего луч зрительно увеличивается, кроме того, из точки она превращается в окружность. Именно эту окружность ученые называют Кольцом Эйнштейна.
Второе интересное астрономическое явление – Крест Эйнштейна так же вызвано гравитационным линзированием. Принцип его возникновения аналогичен предыдущему. Разница заключается только в том, что свет от отдаленного объекта проходит не через компактную, а через спиральную галактику. В результате этого мы видим фигуру, своей формой напоминающую крест.
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.
Материалы по теме
Что из себя представляют квазары?
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
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Гравитационные линзы на службе астрономии
Ученые освоили множество способов изучения Вселенной. Один из них основан на наблюдении за поведением света, проходящего вблизи массивных объектов, и называется «гравитационным линзированием». И если мы когда-нибудь детально разглядим поверхности далеких планет, то, скорее всего, благодаря ему.
Принцип гравитационного линзирования
Представьте объект, являющийся источником света, – звезду, галактику или ярчайший квазар. Мы ожидаем, что к наблюдателю на Земле свет от него должен дойти по hüpfburg mit rutsche прямой. Но если на прямой линии между нами и объектом в космосе будет расположен другой объект, то он заслонит от нас источник света.
Однако если объект-препятствие достаточно массивный, то он будет играть роль гравитационной линзы. Его сильное гравитационное притяжение будет изгибать vendita giochi gonfiabili световые лучи от источника, идущие мимо него в других направлениях. Те фотоны, которые изменят свою траекторию под влиянием такой гравитационной линзы и направятся в сторону Земли, сформируют для наблюдателя изображение объекта.
Гравитационное поле очень массивного объекта, такого как планета, звезда, галактика, кластер галактик или даже черная дыра, имеет очень сильное притяжение. Проходящие мимо лучи света попадают в его гравитационное поле, изгибаются и меняют направление своего движения. Возьмем два луча света, идущие от удаленного от нас источника света. Пройдя по разные стороны массивного объекта, заслоняющего этот источник света от нас, они отклоняются от прямого пути и могут сойтись в точке нахождения наблюдателя.
На самом деле таких лучей неисчислимое множество, и в итоге они сформируют для наблюдателя совершенно причудливое изображение первоначального объекта. А так как свет от источника, обогнув гравитационную линзу, может прийти с разных сторон, то и наблюдатель может увидеть два или несколько изображений одного и того же объекта.
Предположение о том, что свет может отклоняться в поле тяготения массивного объекта, впервые было высказано Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности. В 1912 году Эйнштейн предположил, что свет звезд должен отклоняться от своего пути, когда он проходит через гравитационное поле Солнца.
Его идея была впоследствии проверена во время полного солнечного затмения в мае 1919 года Артуром Эддингтоном. Затмение позволило наблюдать звезды вблизи Солнца. Сам по себе эффект оказался невелик, луч света от звезды, проходя мимо солнечного лимба, отклонился всего на 1,75 угловые секунды. Но наблюдения показали, что предположение Эйнштейна верно.
Сама же идея гравитационного линзирования в научной литературе была упомянута в 1924 году российским ученым Орестом Даниловичем Хвольсоном. Однако численные оценки явления были проведены Альбертом Эйнштейном в 1936 году. Сегодня гравитационное линзирование используется для изучения многих явлений и объектов в дальних уголках Вселенной.
Эффекты гравитационного линзирования могут вызывать многие объекты, в том числе звезды и планеты, хотя их довольно трудно обнаружить при наблюдении с Земли. Гравитационные поля галактик и галактических кластеров могут создавать более заметные эффекты линзирования. Недавно выяснилось, что и темная материя, которая имеет гравитационный эффект, также может вызвать линзирование.
Двойной квазар Twin Quasar (QSO 0957+561) Типы гравитационного линзирования
Выделяют три типа гравитационного линзирования: сильное, слабое и микролинзирование. Сильное вызывает легко видимые искажения, такие как образование колец Эйнштейна, дуг или нескольких изображений одного и того же объекта. Сильное линзирование часто позволяет увидеть очень далекие галактики такими, какими они были в далеком прошлом.
Это дает ученым представление о том, какие условия были миллиарды лет назад. Оно также увеличивает свет от очень отдаленных объектов, таких как самые ранние галактики, и часто дает астрономам представление о жизни галактик еще в юности. При слабом гравитационном линзировании искажения фоновых источников намного меньше, и они могут быть обнаружены только путем анализа большого количества источников статистическим способом. Однако слабая линзировка используется для определения количества темной материи во Вселенной. Это невероятно полезный инструмент для астрономов, помогающий понять распределение темной материи в космосе.
В случае микролинзирования искажения формы объекта, как при сильном линзировании, не видны, но количество света, полученного от фонового объекта, изменяется во времени. Это происходит, например, когда одна звезда проходит на линии зрения точно перед другой, более удаленной звездой или иным объектом.
Гравитация более близкой звезды искривляет лучи света, идущие от фонового объекта, в результате он на какое-то время (несколько недель или дней) будет казаться наблюдателю с Земли ярче, чем обычно. Гравитационная линза влияет не только на видимый свет, она одинаково действует на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.
Первая гравитационная линза
Первая гравитационная линза (если не считать эксперимента во время солнечного затмения 1919 года) была открыта в 1979 году, когда астрономы нашли нечто, получившее название Twin QSO. Первоначально астрономы полагали, что этот объект может быть парой очень похожих квазаров. Оба квазара были необычно близки друг к другу, и их красное смещение и спектр видимого света были на удивление похожими.
Но после тщательных наблюдений с помощью 2,1-метрового оптического телескопа в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне астрономы смогли выяснить, что на самом деле это один и тот же объект. Мы видим два его изображения, потому что свет квазара на пути к нам прошел вблизи галактики YGKOW G1, которая находится на расстоянии 4 миллиарда световых лет от Земли. Сам же квазар удален от нас на 8,7 миллиарда световых лет.
Снятая телескопом «Хаббл», так называемая «космическая подкова» – гигантская эллиптическая галактика на z=0,45, линзирующая карликовую галактику на z=2,38 / ©Lensshoe_hubble
Эти наблюдения были сделаны в оптическом диапазоне. Однако позднее команда во главе с Дэвидом Робертсом обнаружила различия между двумя изображениями квазара в радиочастотных изображениях, что внесло некоторые сомнения в предыдущую версию. В середине 1979 года ученые, используя радиотелескоп VLA (Very Large Array), расположенный в штате Нью-Мексико (США), обнаружили релятивистскую струю, выходящую из квазара A без соответствующего эквивалента в квазаре B.
Кроме того, расстояние между двумя изображениями в 6 угловых секунд показалось им слишком велико, чтобы объяснить его гравитационным эффектом галактики YGKOW G1. Но дальнейшие наблюдения с применением радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, проведенные командой ученых во главе с Марком Горенштейном в 1983 году, выявили по существу идентичные релятивистские струи как от квазара A, так квазара B, что говорит о том, что это все-таки два изображения одного и того же объекта.
Небольшие спектральные различия между квазаром A и квазаром B могут быть объяснены разной плотностью межгалактической среды на путях света, что приводит к различному гашению света, то есть поглощению и рассеянию электромагнитного излучения веществом (пылью и газом), находящимся в межзвездном пространстве, так называемой межзвездной экстинкцией. 30 лет наблюдений дали понять, что изображение А квазара достигает Земли примерно на 14 месяцев раньше, чем соответствующее изображение В, что приводит к разнице в длине пути в 1,1 световых года.
С тех пор было обнаружено несколько десятков гравитационных линз, в фокусе которых случайно оказалась наша планета. Наиболее известным видимым результатом гравитационного линзирования является кольцо Эйнштейна. В случае когда удаленный источник, гравитационная линза и телескоп на Земле выстраиваются в линию, астрономы могут видеть кольцо света вокруг изображения объекта, создавшего гравитационную линзу. Эти кольца света называются «кольцами Эйнштейна», реже – «кольцами Хвольсона-Эйнштейна».
Для науки кольца Эйнштейна интересны тем, что они дают возможность подробно рассмотреть очень далекие объекты, их структуру и идущие там процессы. Без случайно образовавшейся гравитационной линзы мы бы не смогли их увидеть. Более близкий объект срабатывает как линза, увеличивая видимый размер удаленного.
Однако исходный источник света будет наблюдаться в виде кольца вокруг массивного объекта линзирования, только если сам источник света, линза и наблюдатель находятся на одной линии. В случае отклонения взаимного расположения объектов от прямой, наблюдателю будет доступен только участок дуги.
Крест Эйнштейна, наблюдаемый в созвездии Пегаса, на самом деле представляет собой четыре изображения одного квазара с галактикой-линзой в центре. Для его визуального наблюдения необходим телескоп с полуметровым диаметром объектива. Сам квазар Q2237+030 располагается примерно в 8 миллиардах световых лет от Земли, а линзирующая галактика ZW 2237+030 – в 20 раз ближе: в 400 миллионах световых лет от нас.
Крест Эйнштейна – четыре изображения далекого квазара обрамляют близкую галактику, служащую в данном случае гравитационной линзой / ©NASA
Изображений четыре, так как ядро галактики-линзы обладает так называемым квадрупольным распределением плотности. Гравитационные поля многих объектов в космосе не обладают сферической симметрией, поэтому в результате гравитационного линзирования может появиться несколько изображений одного объекта.
Миссия к солнечному фокусу
Сегодня мы наблюдаем гравитационные линзы с Земли и с космических обсерваторий на орбите. Мы не можем выбирать желаемый объект для наблюдения. И если бы мы хотели, например, рассмотреть с помощью гравитационной линзы окрестности какой-либо звезды, нам следовало бы отправить телескоп в определенную точку космического пространства, которая находилась бы на одной линии с интересующим нас объектом и достаточным по массе объектом, создающим гравитационную линзу.
Но почему бы и нет? Подходящий объект, который может создать гравитационную линзу, – это Солнце. Вспомним эксперимент, проведенный Артуром Эддингтоном. Траектории лучей света, проходящих мимо солнечного лимба, отклонились, а следовательно, они рано или поздно сойдутся.
Минимальное расстояние, на котором это произойдет, равно примерно 550 астрономическим единицам от Солнца.
Сигнал от звезды в этой точке будет усилен многократно. Как считают ученые, если установить в этой точке телескоп, то вокруг Солнца можно будет увидеть яркое кольцо – кольцо Эйнштейна, так будет наблюдаться усиленный сигнал интересующей нас звезды. К слову, такой фокус есть и у нашей планеты, но, по понятным причинам, он находится гораздо дальше, на расстоянии в 13 000 астрономических единиц от нее.
Еще в 1979 году физик Вон Эшлеман из Стэнфордского университета предложил создать космический аппарат, который можно было бы отправить в гравитационный фокус Солнца. Новую жизнь в эту идею вдохнул итальянский астроном Клаудио Макконе, предложивший в 1992 Европейскому космическому агентству миссию FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), предполагающую отправку космического аппарата в гравитационный фокус Солнца.
Макконе полагает, что это позволит получить нам уникальные данные об интересующих нас планетных системах, вплоть до получения подробных изображений поверхностей экзопланет. Как отмечает Макконе, использование звезд в качестве гравитационных линз является логичным следующим шагом для астрономов, который даст нам поистине неповторимые возможности. «Каждая цивилизация получает от Вселенной великий дар: объектив такой силы, который никакая разумная технология не могла бы повторить или превзойти. Этот объектив – звезда цивилизации. В нашем случае наше Солнце», – говорит Макконе.
Ученые обнаружили новое кольцо Эйнштейна
Новости партнеров
Кольцо Эйнштейна представляет собой искаженное изображение очень далекой галактики, называемой «источником». Искажение происходит за счет искривления световых лучей от источника массивной галактикой, именуемой «линзой». Сильное гравитационное поле, создаваемое галактикой-линзой, искажает структуру пространства-времени в ее окрестности, не только притягивая объекты, которые имеют массу, но и «сбивая» с пути свет. Когда две галактики точно выровнены, образ дальней из них превращается почти в идеальный круг, который окружает «линзу».
«Канарское кольцо Эйнштейна» было открыто случайно в процессе работы Маргериты Беттинеоли над докторской диссертацией. Во время анализа данных, полученных с помощью камеры «Dark Energy Camera» на 4-х метровом телескопе имени Виктора Бланко, расположенном в межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили, она заметила среди звездного населения карликовой галактики Скульптор своеобразную морфологию кольца Эйнштейна. Это сразу привлекло внимание членов группы, и они начали наблюдать и анализировать его физические свойства с помощью спектрографа OSIRIS на Большом Канарском телескопе.
Вновь открытое кольцо оказалось одним из наиболее симметричных из всех обнаруженных ранее. Это означает, что две галактики почти идеально выровнены по отношению к нашей планете. Сейчас галактика-источник по подсчетам команды астрофизиков удалена от нас на 10 миллионов световых лет. Правда, когда свет начал свой путь, она находилась ближе, и свету потребовалось около 8,5 миллионов лет, чтобы достичь Земли. В объективы телескопов мы видим ее такой, какой она была в те далекие времена. Галактика-линза расположена немного ближе к нам, на расстоянии 6 миллионов световых лет. Новые звезды в ней почти перестали рождаться, а жители состарились.
«Изучение этих явлений дает нам точные данные о составе галактики-источника, а также о структуре гравитационного поля и темной материи галактики-линзы», – сказал Антонио Апарисио, ведущий исследователь из Канарского института астрофизики.
Hubble сфотографировал самое большое из известных «колец Эйнштейна»
За последнее время произошло немало редких астрономических явлений. И действительно – пройдут сотни лет, прежде чем мы снова сможем увидеть Юпитер и Сатурн так близко друг к другу. Однако есть еще более странные и редкие явления, которые можно наблюдать в ночном небе. Правда, чтобы как следует рассмотреть их, вам понадобится доступ к космическому телескопу NASA Hubble. Как и всегда, этот удивительный инструмент предоставляет абсолютно захватывающие снимки далеких галактик, звезд и планет. На снимке перед вами изображено одно из редчайших астрономических явлений – «кольцо Эйнштейна». На самом деле это – далекая галактика, изгибающаяся через скопление галактик. Причина этого феномена – процесс под названием гравитационное линзирование. Если бы космическое тело, например Солнце, было слишком массивным, то воздействие гравитации было бы настолько сильным, что масса звезды могла бы исказить пространственно-временную ткань и позволить свету искривляться.
Кольцо Эйнштенйа в объективе космического телескопа Hublle.
Из-за огненной природы этого явления, в NASA назвали его «расплавленным кольцом».
Что такое «кольца Эйнштейна»?
Общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1916 году, предсказывала, что массивные объекты, такие как звезды, могут искривлять лучи света, проходящие рядом; гравитационное притяжение различных объектов во Вселенной, в свою очередь, происходит из-за того, что каждый объект искривляет пространство.
Так, изображение кольца Эйнштейна, сделанное весной 2018 года, иллюстрирует изящные эллиптические галактики и впечатляющие спирали, наблюдаемые в различных позициях: ребром к плоскости видимой галактики ил «лицом к лицу», что наблюдатель видит как великолепные спиральные рукава. На фото ниже можно увидеть чудовищное собрание сотен галактик, скованных вместе железной хваткой гравитации. Масса этого скопления достаточно велика, чтобы сильно исказить пространство-время вокруг, создавая странные, петляющие кривые, которые почти окружают центр скопления.
Снимок объекта под названием SDSS J0146-0929 был сделан в апреле 2018 года.
Интересно, что кольца создаются, когда свет от далеких объектов, таких как галактики, проходит мимо чрезвычайно большой массы, как это скопление галактик. На снимке Hubble, опубликованном на официальном сайте NASA, виден свет от галактики, который отклоняется и искажается вокруг массивного промежуточного скопления галактик, а потому вынужден двигаться по различным световым путям к Земле. Вот почему создается впечатление, что галактика находится в нескольких местах одновременно.
Хотите всегда быть в курсе новейших открытий в области астрономии и астрофизики, подписывайтесь на наш канал в Google News.
Наблюдать множество далеких галактик и кольца Эйнштейна астрономам позволяет процесс под названием «гравитационное линзирование». Чтобы обнаружить их, наблюдатель, гравитационная линза и наблюдаемый объект должны быть расположены на одной прямой. Именно в таком случае центр далекой галактики размывается по краям линзы и образуется светящееся кольцо. Подобные объекты, по мнению NASA, являются лучшими лабораториями для исследования галактик, которые иногда настолько малы и удалены, что увидеть их можно только с помощью гравитационного линзирования.
«Расплавленное кольцо» искривляет пространство и время
В конце декабря 2020 года представители космического агентства NASA заявили, что свет от галактик в центре искривляется по кривой, которую мы видим из-за гравитации скопления галактик, лежащего перед ним. Близкое к точному выравнивание фоновых галактик с центральной эллиптической галактикой скопления, показанной в центре снимка Hubble, исказило и увеличило изображение фоновой галактики в почти идеальное кольцо. Дальнейшие искажения вызваны гравитацией других галактик в скоплении.
Отметим, что для телескопа Hubble, на замену которому готовиться космический телескоп Джеймса Уэбба, наблюдение кольца Эйнштейна или «расплавленного кольца» является огромным успехом. Снимок кольца под названием GAL-CLUS-022058s в очередно раз подтверждает правильность гипотезы Альберта Эйнштейна.
После запуска космического телескопа «Хаббл» в 1993 году в 1998 году было открыто первое кольцо Эйнштейна. С тех пор многие были открыты радио-инфракрасными и оптическими телескопами.
Интересно, что один из лучших примеров колец Эйнштейна астрономы наблюдали в 2007 году. Объект находился вблизи светящейся Красной галактики LRG 3-757. Из-за своей подковообразной формы фотография получила неофициальное название космическая подкова.
Кольцо Эйнтшейна вблизли Красной галактики LRG 3-757 в объективе космического телескопа Hubble
На снимке также отчетливо виден синий свет. Причина, по которой кольца могут казаться синими, все еще обсуждается в научном сообществе, потому что технически уравнение гравитационного линзирования не объясняет этот эффект. Ранее считалось, что синий происходит от голубых звездообразующих галактик. Однако в исследовании, опубликованном в 2011 году, была предложена теория дифракции световых волн в гравитационном поле, генерируемом рассеянием очень низкочастотных скалярных волн в пространстве-времени.
