Перейти до вмісту

Кільце Ейнштейна

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Частина циклу статей про
Гравітаційне лінзування
Типи:
Сильне лінзування
Слабке лінзування
Мікролінзування
Теорія:
Формалізм лінзування
Кільце Ейнштейна
Непарність числа зображень

Кільце Ейнштейна (іноді також кільце Ейнштейна — Хвольсона, на честь Ореста Хвольсона) — яскраве кільце, яке утворюється, коли світло від галактики чи зорі проходить повз масивний об'єкт на шляху до Землі. Завдяки гравітаційному лінзуванню світло відхиляється, створюючи враження, що воно надходить з різних місць. Якщо джерело, лінза та спостерігач знаходяться на одній прямій, світло виглядає як кільце.

Вступ

[ред. | ред. код]

Гравітаційне лінзування передбачено загальною теорією відносності[1]. За цією теорією, світло поширюється не по прямій лінії, а викривляється масивними тілами, які збурюють простір-час, — це явище називається гравітаційним лінзуванням. Кільце Ейнштейна — це окремий випадок гравітаційного лінзування, який відповідає розташуванню джерела, лінзи та спостерігача точно на одній прямій. Це призводить до осевої симетрії задачі, спричиняючи зображення кільцеподібної форми[2].

Геометрія повного кільця Ейнштейна, створеного гравітаційною лінзою

Розмір кільця Ейнштейна визначається радіусом Ейнштейна. Виражений у радіанах, він дорівнює

де

гравітаційна стала,
 — маса лінзи,
 — швидкість світла,
 — відстань за кутовим діаметром[en] до лінзи,
 — відстань за кутовим діаметром[en] до джерела, а
 — відстань за кутовим діаметром[en] між лінзою та джерелом[3].

Для космологічних відстаней в загальному випадку .

Історія

[ред. | ред. код]
Гравітаційно лінзована галактика SDP.81, знята ALMA[4].

Викривлення світла гравітуючим тілом було передбачено Альбертом Ейнштейном у 1912 році, за кілька років до публікації загальної теорії відносності в 1916 році (Ренн та ін. 1997). Ефект кільця вперше був згаданий в науковій літературі Орестом Хвольсоном у короткій статті в 1924 році, у якій він говорив про «гало-ефект» гравітації, коли джерело, лінза та спостерігач знаходяться майже на одній прямій[5]. Ейнштейн зазначив цей ефект у 1936 році в статті, що була викликана листом чеського інженера Р. В. Мандла, але заявив, що

...немає ніякої надії на пряме спостереження цього явища. По-перше, навряд чи ми колись наблизимось достатньо близько до такої центральної лінії. По-друге, кут β буде недосяжним для розрізнювальної здатності наших інструментів.

(У цьому твердженні β — це радіус Ейнштейна, який зараз позначається як як у виразі вище.)

Однак Ейнштейн розглядав лише ймовірність спостереження кілець Ейнштейна, створених зорями, яка є низькою — ймовірність спостереження кілець, створених масивнішими тілами, такими як галактики чи чорні діри, вища, оскільки кутовий розмір кільця Ейнштейна збільшується з масою лінзи.

Перше повне кільце Ейнштейна, позначене B1938+666, було виявлено в результаті співпраці астрономів Манчестерського університету та космічного телескопа Габбл у 1998 році[6].

Спостережень зорі, яка б утворювала кільце Ейнштейна на іншій зорі, поки не було, але існує ймовірність 45 % того, що це станеться на початку травня 2028 року, коли Альфа Центавра А пройде між нами та далекою червоною зорею[7].

Відомі кільця Ейнштейна

[ред. | ред. код]
«Смайлик» або «Чеширський кіт» зображення скупчення галактик (SDSS J1038+4849) і гравітаційного лінзування («кільце Ейнштейна»), виявлені міжнародною командою вчених[8], отримані за допомогою HST[9].

Сьогодні відомі сотні гравітаційних лінз. Кілька з них є частковими кільцями Ейнштейна з діаметром до кутової секунди, однак, оскільки розподіл маси в лінзах не є ідеально осесиметричним або джерело, лінза та спостерігач не знаходяться ідеально на одній прямій, ідеальних кілець Ейнштейна поки не спостерігалось. Більшість кілець виявлено в радіодіапазоні. Ступінь повноти, необхідний для того, щоб лінзоване зображення класифікувалося як кільце Ейнштейна, ще не визначено.

Перше кільце Ейнштейна було відкрито Гьюіттом та ін. (1988) під час спостережень радіоджерела MG1131+0456 за допомогою Дуже великого масиву. Це спостереження показало, що квазар лінзується ближчою галактикою на два окремих, але дуже схожих зображення, розтягнуті навколо лінзи у майже повне кільце[10]. Ці подвійні зображення є ще одним можливим проявом того, що джерело, об'єктив і спостерігач не ідеально вирівняні.

Галактичне кільце Ейнштейна, відкрите телескопом Джеймс Вебб.

Першим відкритим повним кільцем Ейнштейна було B1938+666, яке знайшли Кінг та ін. (1998) на космічному телескопі Габбл[6][11]. Гравітаційна лінза B1938+666 є старою еліптичною галактикою, а зображення, яке ми бачимо через лінзу, є темною карликовою галактикою-супутником, яку інакше ми не змогли б побачити за допомогою сучасних технологій[12].

У 2005 році комбінація Слоунівського цифрового огляду неба і космічного телескопа Габбла була використана в огляді Sloan Lens ACS (SLACS), щоб знайти 19 нових гравітаційних лінз, 8 з яких були кільцями Ейнштейна[13]. Ці 8 кілець показані на рисунку поруч. Станом на 2009 рік у цьому дослідженні було виявлено 85 гравітаційних лінз, але точна кількість кілець Ейнштейна не вказувалось[14]. Це дослідження відповідає за більшість нещодавніх відкриттів кілець Ейнштейна в оптичному діапазоні. Ось кілька прикладів знайдених в ньому кілець:

  • FOR J0332-3557, відкритий у 2005 році[15], відомий своїм високим червоним зсувом, що дозволяє використовувати його для спостережень раннього Всесвіту.
  • «Космічна підкова» — часткове кільце Ейнштейна від особливо великої яскраво-червоної галактики, для якої гравітаційною лінзою слугує галактика LRG 3-757. Відкрита у 2007 році Бєлокуровим та ін.[16]
  • SDSSJ0946+1006, «подвійне кільце Ейнштейна», було відкрито Рафаелем Ґавацці та Томассо Треу у 2008 році[17]. Воно відоме наявністю кількох кілець, які спостерігаються через ту саму гравітаційну лінзу.

Іншим відомим прикладом є радіо- і рентгенівське кільце Ейнштейна навколо PKS 1830-211, яке є надзвичайно потужним у радіодіапазоні[18]. Його виявили за допомогою рентгенівського дослідження Варша Гупта та ін. в на рентгенівському космічному телескопі Чандра[19]. Воно також примітно тим, що це перший випадок лінзування квазара спіральною галактикою, розташованою майже перпендикулярно до променя зору[20].

Galaxy MG1654+1346 має кільце в радіодіапазоні. Зображення в кільці є зображенням радіопелюстки квазара, відкритого в 1989 році Лангстоном та ін.[21]

Додаткові кільця

[ред. | ред. код]
SDSSJ0946+1006 — подвійне кільце Ейнштейна. Авторство: HST / NASA / ESA

За допомогою космічного телескопа Габбл Рафаель Гавацці з Інституту космічного телескопа і Томмазо Треу з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі знайшли подвійне кільце. Воно викликане світлом від трьох галактик на відстані 3, 6 і 11 мільярдів світлових років. Такі кільця допомагають зрозуміти розподіл темної матерії, темної енергії, природу далеких галактик і кривизну Всесвіту. Шанси знайти таке подвійне кільце навколо масивної галактики становлять 1 до 10 000. Дослідження 50 таких подвійних кілець забезпечило б точніше вимірювання вмісту темної матерії у Всесвіті та визначення рівняння стану темної енергії з точністю до 10 відсотків[22].

Нижче наведено моделювання, що зображує збільшення шварцшильдівської чорної діри в площині Чумацького Шляху між нами та центром галактики. Перше кільце Ейнштейна є найбільш викривленою областю зображення і показує галактичний диск. Потім масштаб збільшується, показуючи серію з 4 додаткових кілець, дедалі тонших і ближчих до тіні чорної діри. Вони являють собою кілька зображень галактичного диска. Перше і третє відповідають точкам, які знаходяться позаду чорної діри (з позиції спостерігача) і відповідають тут яскраво-жовтій області галактичного диска (близько до центру галактики), тоді як друге і четверте відповідають зображенням об'єктів, які знаходяться позаду спостерігача, які виглядають синішими, оскільки відповідна частина галактичного диска тут тонша і, отже, тьмяніша.

Галерея

[ред. | ред. код]
  • Деякі спостережувані SLACS кільця Ейнштейна
    Деякі спостережувані SLACS кільця Ейнштейна
  • Дуги навколо SDSSJ0146-0929 є прикладами кільця Ейнштейна
    Дуги навколо SDSSJ0146-0929 є прикладами кільця Ейнштейна
  • Моделювання проходжнггя чорної діри перед галактикою
    Моделювання проходжнггя чорної діри перед галактикою
  • Монтаж кільця Ейнштейна SDP.81 і лінзованої галактики
    Монтаж кільця Ейнштейна SDP.81 і лінзованої галактики
  • Кільця Ейнштейна поблизу чорної діри
    Кільця Ейнштейна поблизу чорної діри

Журнали

[ред. | ред. код]
  • Cabanac, R. A. та ін. (2005). Discovery of a high-redshift Einstein ring. Astronomy and Astrophysics. 436 (2): L21—L25. arXiv:astro-ph/0504585. Bibcode:2005A&A...436L..21C. doi:10.1051/0004-6361:200500115. S2CID 15732993. (refers to FOR J0332-3357)
  • Chwolson, O (1924). Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne. Astronomische Nachrichten. 221 (20): 329—330. Bibcode:1924AN....221..329C. doi:10.1002/asna.19242212003. (The first paper to propose rings)
  • Einstein, Albert (1936). Lens-like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field (PDF). Science. 84 (2188): 506—507. Bibcode:1936Sci....84..506E. doi:10.1126/science.84.2188.506. PMID 17769014. (The famous Einstein Ring paper)
  • Hewitt, J (1988). Unusual radio source MG1131+0456 - A possible Einstein ring. Nature. 333 (6173): 537—540. Bibcode:1988Natur.333..537H. doi:10.1038/333537a0. S2CID 23277001.
  • Renn, Jurgen; Sauer, Tilman; Stachel, John (1997). The Origin of Gravitational Lensing: A Postscript to Einstein's 1936 Science paper. Science. 275 (5297): 184—186. Bibcode:1997Sci...275..184R. doi:10.1126/science.275.5297.184. PMID 8985006. S2CID 43449111.
  • King, L (1998). A complete infrared Einstein ring in the gravitational lens system B1938 + 666. MNRAS. 295 (2): L41—L44. arXiv:astro-ph/9710171. Bibcode:1998MNRAS.295L..41K. doi:10.1046/j.1365-8711.1998.295241.x. S2CID 15647305.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)

Новини

[ред. | ред. код]

Рекомендована література

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ Overbye, Dennis (5 березня 2015). Astronomers Observe Supernova and Find They're Watching Reruns. The New York Times. Процитовано 5 березня 2015.
  2. ↑ Drakeford, Jason; Corum, Jonathan; Overbye, Dennis (5 березня 2015). Einstein's Telescope - video (02:32). The New York Times. Процитовано 27 грудня 2015.
  3. ↑ Pritchard, Jonathan. Gravitational lensing (PDF). Harvard and Smithsonian. с. 19. Процитовано 21 грудня 2019.
  4. ↑ ALMA at Full Stretch Yields Spectacular Images. ESO Announcement. Процитовано 22 квітня 2015.
  5. ↑ Turner, Christina (14 лютого 2006). The Early History of Gravitational Lensing (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 25 липня 2008.
  6. ↑ а б A Bull's Eye for MERLIN and the Hubble. University of Manchester. 27 березня 1998.
  7. ↑ P. Kervella та ін. (19 жовтня 2016). Close stellar conjunctions of α Centauri A and B until 2050. Astronomy & Astrophysics. 594: A107. arXiv:1610.06079. Bibcode:2016A&A...594A.107K. doi:10.1051/0004-6361/201629201.
  8. ↑ Belokurov, V. та ін. (January 2009). Two new large-separation gravitational lenses from SDSS. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 392 (1): 104—112. arXiv:0806.4188. Bibcode:2009MNRAS.392..104B. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.14075.x.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  9. ↑ Loff, Sarah; Dunbar, Brian (10 лютого 2015). Hubble Sees A Smiling Lens. NASA. Процитовано 10 лютого 2015.
  10. ↑ Discovery of the First "Einstein Ring" Gravitational Lens. NRAO. 2000. Процитовано 8 лютого 2012.
  11. ↑ Browne, Malcolm W. (31 березня 1998). 'Einstein Ring' Caused by Space Warping Is Found. The New York Times. Процитовано 1 травня 2010.
  12. ↑ Vegetti, Simona та ін. (January 2012). Gravitational detection of a low-mass dark satellite at cosmological distance. Nature. 481 (7381): 341—343. arXiv:1201.3643. Bibcode:2012Natur.481..341V. doi:10.1038/nature10669. PMID 22258612.
  13. ↑ Bolton, A та ін. Hubble, Sloan Quadruple Number of Known Optical Einstein Rings. Hubblesite. Процитовано 16 липня 2014.
  14. ↑ Auger, Matt та ін. (November 2009). The Sloan Lens ACS Survey. IX. Colors, Lensing and Stellar Masses of Early-type Galaxies. The Astrophysical Journal. 705 (2): 1099—1115. arXiv:0911.2471. Bibcode:2009ApJ...705.1099A. doi:10.1088/0004-637X/705/2/1099.
  15. ↑ Cabanac, Remi та ін. (27 квітня 2005). Discovery of a high-redshift Einstein ring. Astronomy and Astrophysics. 436 (2): L21—L25. arXiv:astro-ph/0504585. Bibcode:2005A&A...436L..21C. doi:10.1051/0004-6361:200500115.
  16. ↑ Belokurov, V. та ін. (December 2007). The Cosmic Horseshoe: Discovery of an Einstein Ring around a Giant Luminous Red Galaxy. The Astrophysical Journal. 671 (1): L9—L12. arXiv:0706.2326. Bibcode:2007ApJ...671L...9B. doi:10.1086/524948.
  17. ↑ Gavazzi, Raphael та ін. (April 2008). The Sloan Lens ACS Survey. VI: Discovery and Analysis of a Double Einstein Ring. The Astrophysical Journal. 677 (2): 1046—1059. arXiv:0801.1555. Bibcode:2008ApJ...677.1046G. doi:10.1086/529541.
  18. ↑ Mathur, Smita; Nair, Sunita (20 липня 1997). X-Ray Absorption toward the Einstein Ring Source PKS 1830-211. The Astrophysical Journal. 484 (1): 140—144. arXiv:astro-ph/9703015. Bibcode:1997ApJ...484..140M. doi:10.1086/304327.
  19. ↑ Gupta, Varsha. Chandra Detection of AN X-Ray Einstein Ring in PKS 1830-211. ResearchGate.net. Процитовано 16 липня 2014.
  20. ↑ Courbin, Frederic (August 2002). Cosmic alignment towards the radio Einstein ring PKS 1830-211 ?. The Astrophysical Journal. 575 (1): 95—102. arXiv:astro-ph/0202026. Bibcode:2002ApJ...575...95C. doi:10.1086/341261.
  21. ↑ Langston, G.I. та ін. (May 1989). MG 1654+1346 - an Einstein Ring image of a quasar radio lobe. Astronomical Journal. 97: 1283—1290. Bibcode:1989AJ.....97.1283L. doi:10.1086/115071.
  22. ↑ Hubble Finds Double Einstein Ring. Hubblesite.org. Space Telescope Science Institute. Процитовано 26 січня 2008.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Кільце_Ейнштейна&oldid=41988319