Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование — это отклонение света в поле тяготения (в искривленном пространстве), названное так по аналогии с классической оптикой. Луч, проходящий рядом с массой, движется по светоподобной геодезической линии, которая не является прямой. Его траектория изогнута в сторону массы.

В частности, это приводит к смещению видимых положений звезд, видимых у края солнечного диска. Эйнштейн в 1919 рассчитал это смещение, которое составило 4GМ/(с²R), где М и R — масса и радиус Солнца. А А. Эддингтон в том же 1919 измерил это смещение с точностью в 30%. Точности этой хватило, чтобы отличить отличие от ньютоновского линзирования (ньютонов закон гравитации тоже предсказывает искривление, но ровно в два раза меньшее).

С тех пор отклонение света звезд Солнцем было проверено с точностью 0.1%, так что это не просто предсказание теории, а тонкий тест для нее.

Поэтому я прошу впредь воздержаться в комментариях от таких откровений, как:

1. Глупый Эддингтон не знал, что точность его приборов и фотопластинок недостаточна для регистрации эффекта. И Эддингтон точно был не глупее этих комментаторов (да и непросто найти кого-то глупее), и был он там не один.
2. Хитрый Эддингтон сфальсифицировал результаты, потому что очень хотелось. Опять-таки, он был не один, и подставляться бы не стал. Достойно сожаления, что подобные обвинения можно бросать без всякого риска отвечать за свои слова.
3. Теория относительности основана на двух-трех наблюдениях (с учетом двух предыдущих пунктов получается вообще пикантно). Если этих двух-трех хватило Паули и многим другим, то хватит и вам; а если мало, то есть много чего и посвежее. Ну и читаем данный материал дальше.

Скопление галактик Cl0024+1652 с красным смещением z=0.395 работает как гравитационная линза: синие дуги суть изображения значительно более отдаленных галактик, сильно растянутые и увеличенные. Из [1].

О математике линзирования недавно был материал, приглашаю пройти по ссылке.

Такие эффекты, как линзирование, рассказывают о темной материи и позволяют больше узнать об отдаленных галактиках. Эффект увеличения позволяет увидеть тусклые галактики или лучше разглядеть яркие. Что-то вроде природного телескопа! Некоторые очень отдаленные галактики (z>6) были открыты через линзирование.

Долгое время (около 60 лет) линзирование за пределами Солнечной системы было недоступно. Теперь оно вышло на первый план в астрономии и космологии.

Что тоже поучительно: если бы тогдашние ученые не удовлетворились бы "тремя с половиной" наблюдениями и отвергли ОТО, они бы не получили сотен ее подтверждений. К счастью, ученые всё-таки знают своё дело.

Линзирование делят на сильное, слабое и микролинзирование.

Сильное линзирование — это отклонение света источника линзой в том случае, когда угол между ними мал. То есть линза перекрывает источник, он за ней. Все рисунки выше — примеры сильного линзирования: кольца, дуги, расщепленные, умноженные и искаженные изображения. Линзами могут быть и галактики, и скопления галактик. Первый пример такого эффекта — 1979 год, квазары 0957+561 А и В, которые оказались разными изображениями одного квазара с z=1.405. Позже было понято, что синие дуги в изображениях кластеров суть растянутые изображения галактик на заднем плане.

Сильное линзирование. Красный объект на заднем плане перекрыт более близким коричневым и линзирует лучи. В итоге мы на (синей) Земле видим два (или более) изображения, притом искаженные. Если это звезды, то получается микролинзирование: разных изображений мы не увидим из-за мелкого масштаба, а вот усиление яркости по аналогии с линзой, которой костер разводят, можем.

Микролинзирование является разновидностью сильного: это линзирование одной звезды другой, когда они оказываются на линии нашего зрения, то есть одна "прячется" за другой в ходе своего движения. Искажение слишком мало, чтобы наблюдаться, но вот кривая светимости меняется сильно. Если сильное линзирование подобно увеличению изображения лупой или различным оптическим эффектам с теми же оптическими линзами, то микролинзирование похоже на разжигание огня от Солнца с помощью лупы. Для масс порядка солнечной и типичных для звезд в галактике скоростей звезда сзади увеличивает свой блеск из-за линзирования на время порядка месяца. Важно, что при таком линзировании, в отличие от оптического, нет цветовых явлений (радуги)! Первое такое явление было зарегистрировано в 1993.

Кривая светимости при микролинзировании. По оси х гелиоцентрическая юлианская дата со сдвигом: грубо говоря, сутки.

Слабое линзирование имеет место, когда угол между линзой и объектом велик. При этом изображение одно и лишь незначительно искажено. Зато объектов (и изображений) может быть сразу несколько. Распределение материи во Вселенной в целом служит линзой, искажая изображение отдаленных объектов. Анализируя эти искажения статистически, можно многое узнать. Этот метод предложен в 2000-ых: совсем недавно.

Слабое линзирование всей материей Вселенной (голубой цвет). Лучи (синие) от ярких объектов (красные) постоянно искривляются, так что мы видим немного искаженные и смещенные изображения. Искажения коррелируют, и статистический анализ совместно с космологической моделью дает оценки космологических параметров.

Подписывайтесь: вам все равно. а мне приятно.

[1] M. Pettini: Introduction to Cosmology — Lecture 16