Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование — это физическое явление, предсказанное общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, при котором гравитационное поле массивного объекта (например, галактики, скопления галактик или чёрной дыры) искривляет траекторию света, идущего от более далёкого источника. Это приводит к искажению, увеличению или умножению изображения фонового объекта. Гравитационное линзирование является мощным инструментом в астрономии и космологии, позволяющим изучать распределение тёмной материи, измерять расстояния до далёких объектов и исследовать свойства Вселенной.

 

Основные принципы гравитационного линзирования

1. Искривление пространства-времени:

   • Согласно общей теории относительности, массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Это искривление влияет на траекторию движения света, заставляя его отклоняться от прямолинейного пути.

   • Чем больше масса объекта, тем сильнее искривление и, соответственно, эффект линзирования.

2. Типы гравитационных линз:

   • Точечная линза: Массивный компактный объект, например, звезда или чёрная дыра.

   • Распределённая линза: Массивные объекты с протяжённой структурой, такие как галактики или скопления галактик.

3. Основные элементы линзирования:

   • Источник: Объект, свет которого искривляется (например, далёкая галактика).

   • Линза: Массивный объект, вызывающий искривление света (например, скопление галактик).

   • Наблюдатель: Тот, кто регистрирует искажённое изображение источника.

 

Типы гравитационного линзирования

1. Сильное линзирование:

   • Происходит, когда линза достаточно массивна, а источник, линза и наблюдатель находятся почти на одной прямой.

   • Результатом являются множественные изображения источника, дуги или даже полные кольца (так называемые кольца Эйнштейна).

   • Пример: скопление галактик, создающее несколько изображений одной и той же далёкой галактики.

2. Слабое линзирование:

   • Происходит, когда искажение света не столь значительно, чтобы создавать чёткие множественные изображения.

   • Слабое линзирование вызывает небольшие искажения формы фоновых объектов, что позволяет изучать распределение массы в линзе.

   • Используется для исследования тёмной материи и крупномасштабной структуры Вселенной.

3. Микролинзирование:

   • Происходит, когда линза имеет небольшую массу (например, звезда или планета) и не создаёт множественных изображений.

   • Микролинзирование проявляется как временное увеличение яркости фонового объекта.

   • Используется для поиска экзопланет и изучения тёмных объектов, таких как чёрные дыры.

 

Математическое описание:

• Гравитационное линзирование описывается уравнением линзы, которое связывает угловое положение источника ${\theta }_S$, угловое положение изображения ${\theta }_I$, и угловое расстояние Эйнштейна ${\theta }_E$:

 

• Угловое расстояние Эйнштейна зависит от массы линзирующего объекта $M$ и расстояний между источником, линзой и наблюдателем:

 

где $G$ — гравитационная постоянная, $c$ — скорость света, $D_S$ — расстояние от наблюдателя до источника, $D_L$ — расстояние от наблюдателя до линзы, и $D_{LS}$ — расстояние от линзы до источника.

 

Применение гравитационного линзирования

1. Исследование тёмной материи:

   • Гравитационное линзирование позволяет изучать распределение тёмной материи в скоплениях галактик, так как тёмная материя влияет на искривление света.

   • Наблюдая искажения фоновых галактик, можно построить карты распределения массы в линзе.

2. Измерение расстояний во Вселенной:

   • Гравитационное линзирование используется для определения расстояний до далёких объектов, таких как галактики и квазары.

   • Это помогает уточнить значение постоянной Хаббла и понять расширение Вселенной.

3. Изучение экзопланет:

   • Микролинзирование позволяет обнаруживать экзопланеты, которые слишком малы или далеки для обнаружения другими методами.

   • Этот метод особенно полезен для поиска планет, находящихся далеко от своих звёзд.

4. Исследование чёрных дыр и нейтронных звёзд:

   • Гравитационное линзирование помогает изучать свойства компактных объектов, таких как чёрные дыры и нейтронные звёзды, измеряя их массы и размеры.

5. Космология:

   • Гравитационное линзирование используется для изучения крупномасштабной структуры Вселенной и проверки космологических моделей.

   • Оно также помогает исследовать природу тёмной энергии.

 

Примеры гравитационного линзирования

1. Крест Эйнштейна:

   • Известный пример сильного линзирования, где квазар, находящийся за галактикой, виден как четыре отдельных изображения, образующих крест.

2. Кольцо Эйнштейна:

   • Примером является объект SDP.81, где далёкая галактика видна как почти полное кольцо вокруг линзирующей галактики.

3. Скопление галактик Abell 1689:

   • Это скопление создаёт множество дуг и искажённых изображений фоновых галактик, что позволяет изучать распределение массы в скоплении.

 

Будущее гравитационного линзирования

С развитием технологий и появлением новых инструментов, таких как космический телескоп James Webb и обсерватория Vera Rubin, гравитационное линзирование продолжит играть ключевую роль в астрономии и космологии. Ожидается, что оно поможет:

• Уточнить свойства тёмной материи и тёмной энергии.

• Обнаружить новые экзопланеты и изучить их атмосферы.

• Исследовать раннюю Вселенную и формирование галактик.

 

Заключение

Гравитационное линзирование — это уникальное явление, которое позволяет астрономам "видеть невидимое" и изучать объекты, которые иначе были бы недоступны для наблюдения. Оно объединяет теорию относительности, наблюдательную астрономию и космологию, предоставляя мощный инструмент для исследования Вселенной.