кольцо Эйнштейна
Часть серии статей о |
Гравитационное линзирование |
---|
кольцо Эйнштейна Формализм Сильное линзирование Микролинзирование Слабое линзирование |
Кольцо Эйнштейна , также известное как кольцо Эйнштейна-Хвольсона или кольцо Хволсона (названное в честь Ореста Хвольсона ), создается, когда свет от галактики или звезды проходит мимо массивного объекта на пути к Земле. Из-за гравитационного линзирования свет отклоняется, создавая впечатление, будто он исходит из разных мест. Если источник, линза и наблюдатель идеально выровнены ( сизигия ), свет выглядит как кольцо.
Введение [ править ]
Гравитационное линзирование предсказано относительности Альберта Эйнштейна теорией общей . [1] Вместо света от источника, движущегося по прямой (в трёх измерениях), он искривляется наличием массивного тела, искажающего пространство-время . Кольцо Эйнштейна — это особый случай гравитационного линзирования, вызванный точным выравниванием источника, линзы и наблюдателя. Это приводит к симметрии вокруг линзы, образуя кольцеобразную структуру. [2]
Размер кольца Эйнштейна определяется радиусом Эйнштейна . В радианах это
где
- гравитационная постоянная ,
- - масса линзы,
- это скорость света ,
- - угловой диаметр расстояния до линзы,
- - расстояние по угловому диаметру до источника,
- — угловой диаметр расстояния между линзой и источником. [3]
На космологических расстояниях в общем.
История [ править ]
Отклонение света гравитационным телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Ренн и др., 1997). Эффект кольца впервые был упомянут в академической литературе Орестом Хвольсоном в короткой статье в 1924 году, в которой он упомянул «эффект ореола» гравитации, когда источник, линза и наблюдатель находятся почти идеально. [5] Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, навеянной письмом чешского инженера Р.В. Мандла: [6] но заявил
Конечно, нет никакой надежды наблюдать это явление напрямую. Во-первых, мы вряд ли когда-нибудь приблизимся достаточно близко к такой центральной линии. Во-вторых, угол β не соответствует разрешающей способности наших инструментов.
- Наука , том 84, стр. 506, 1936 г.
(В этом утверждении β — это радиус Эйнштейна, который в настоящее время обозначается как как в выражении выше.) Однако Эйнштейн рассматривал только вероятность наблюдения колец Эйнштейна, созданных звездами, которая невелика – вероятность наблюдения колец, созданных более крупными линзами, такими как галактики или черные дыры, выше, поскольку угловой размер Кольцо Эйнштейна увеличивается с массой линзы.
Первое полное кольцо Эйнштейна, получившее обозначение B1938+666, было обнаружено в результате сотрудничества астрономов Манчестерского университета и НАСА « космического телескопа Хаббл» в 1998 году. [7]
По-видимому, не было никаких наблюдений за звездой, образующей кольцо Эйнштейна с другой звездой, но существует 45% вероятность того, что это произойдет в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра А пройдет между нами и далекой красной звездой. [8]
кольца Известные Эйнштейна
В настоящее время известны сотни гравитационных линз. Около полудюжины из них представляют собой частичные кольца Эйнштейна с диаметром до угловой секунды , хотя, поскольку либо распределение массы линз не является совершенно аксиально-симметричным , либо источник, линза и наблюдатель не идеально выровнены, нам еще предстоит увидеть идеальное кольцо Эйнштейна. Большинство колец обнаружено в радиодиапазоне. Степень полноты, необходимая для того, чтобы изображение, увиденное через гравитационную линзу, можно было квалифицировать как кольцо Эйнштейна, еще предстоит определить.
Первое кольцо Эйнштейна было обнаружено Хьюиттом и др. (1988), которые наблюдали радиоисточник MG1131+0456 с помощью Very Large Array . В ходе этого наблюдения квазар, линзированный более близкой галактикой, получил два отдельных, но очень похожих изображения одного и того же объекта, изображения вытянулись вокруг линзы и образовали почти полное кольцо. [11] Эти двойные изображения — еще один возможный эффект того, что источник, линза и наблюдатель не идеально совмещены.
Первым открытым полным кольцом Эйнштейна было B1938+666 , которое было обнаружено Кингом и др. (1998) посредством оптического наблюдения гравитационной линзы с помощью космического телескопа Хаббл, полученного с помощью MERLIN . [7] [12] Галактика, создающая линзу в B1938+666, — это древняя эллиптическая галактика , а изображение, которое мы видим через линзу, — это темного карлика галактика-спутник , которую иначе мы не смогли бы увидеть с помощью современных технологий. [13]
В 2005 году совместная мощность Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) и космического телескопа Хаббла была использована в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS) для обнаружения 19 новых гравитационных линз, 8 из которых показали кольца Эйнштейна. [14] это 8, показанные на соседнем изображении. По состоянию на 2009 год в ходе этого исследования было обнаружено 85 подтвержденных гравитационных линз, но пока нет данных о том, сколько из них показывают кольца Эйнштейна. [15] Это исследование стало причиной большинства недавних открытий колец Эйнштейна в оптическом диапазоне. Ниже приведены некоторые найденные примеры:
- ДЛЯ J0332-3557 , обнаруженного Реми Кабанаком и др. в 2005 году, [16] примечательна своим высоким красным смещением , что позволяет нам использовать ее для наблюдений за ранней Вселенной .
- « Космическая подкова » — это частичное кольцо Эйнштейна, которое наблюдалось через гравитационную линзу LRG 3-757, особенно большой светящейся красной галактики. Открыт в 2007 г. В. Белокуровым и др. [17]
- SDSSJ0946+1006 , «двойное кольцо Эйнштейна», было открыто Рафаэлем Гавацци и Томассо Треу. [18] в 2008 году, примечательно наличием нескольких колец, наблюдаемых через одну и ту же гравитационную линзу, значение которых объясняется в следующем разделе, посвященном дополнительным кольцам .
Другим примером является радио/рентгеновское кольцо Эйнштейна вокруг PKS 1830-211, которое необычайно сильно в радиодиапазоне. [19] Он был обнаружен с помощью рентгеновских лучей Варшей Гуптой и др. в рентгеновской обсерватории Чандра [20] Он также примечателен тем, что это первый случай, когда квазар линзируется почти обращенной лицом к нему спиральной галактикой . [21]
Galaxy MG1654+1346 оснащен радиокольцом. Изображение в кольце — это изображение радиолепестка квазара , открытого в 1989 году Дж. Лэнгстоном и др. [22]
В июне 2023 года группа астрономов под руководством Джастина Спилкера объявила об открытии кольца Эйнштейна в далекой галактике, богатой органическими молекулами ( ароматическим углеводородами ). [23] [24]
Дополнительные кольца [ править ]
С помощью космического телескопа «Хаббл» двойное кольцо было обнаружено Рафаэлем Гавацци из STScI и Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре . Это возникает из-за света трех галактик на расстояниях 3, 6 и 11 миллиардов световых лет. Такие кольца помогают понять распределение темной материи , темной энергии , природу далеких галактик и кривизну Вселенной . Шансы найти такое двойное кольцо вокруг массивной галактики составляют 1 к 10 000. Выборка 50 подходящих двойных колец предоставит астрономам более точное измерение содержания темной материи во Вселенной и уравнения состояния темной энергии с точностью до 10 процентов. [25]
Моделирование [ править ]
Ниже в разделе «Галерея» представлена симуляция, изображающая увеличенную черную дыру Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром галактики. Первое кольцо Эйнштейна представляет собой наиболее искаженную область изображения и показывает галактический диск . Затем увеличение показывает серию из четырех дополнительных колец, которые становятся все тоньше и ближе к тени черной дыры. Это множественные изображения галактического диска. Первая и третья соответствуют точкам, находящимся за черной дырой (с позиции наблюдателя), и соответствуют здесь ярко-желтой области галактического диска (близкой к центру Галактики), тогда как вторая и четвертая соответствуют изображениям объектов, которые находятся позади наблюдателя и кажутся более синими, поскольку соответствующая часть галактического диска здесь тоньше и, следовательно, тусклее.
Галерея [ править ]
- Некоторые кольца Эйнштейна наблюдались с помощью SLACS
- Изящные дуги вокруг SDSSJ0146-0929 являются примерами кольца Эйнштейна.
- Смоделированный вид черной дыры, проходящей перед галактикой.
- Монтаж кольца Эйнштейна SDP.81 и линзованной галактики
- Кольца Эйнштейна вблизи черной дыры
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Прощай, Деннис (5 марта 2015 г.). «Астрономы наблюдают за сверхновой и обнаруживают, что смотрят ее повторы» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 5 марта 2015 г.
- ^ Дрейкфорд, Джейсон; Корум, Джонатан; Прощай, Деннис (5 марта 2015 г.). «Телескоп Эйнштейна — видео (02:32)» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 27 декабря 2015 г.
- ^ Причард, Джонатан. «Гравитационное линзирование» (PDF) . Гарвард и Смитсоновский институт. п. 19 . Проверено 21 декабря 2019 г.
- ^ «ALMA при полном растяжении дает впечатляющие изображения» . Объявление ESO . Проверено 22 апреля 2015 г.
- ^ Тернер, Кристина (14 февраля 2006 г.). «Ранняя история гравитационного линзирования» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2008 г.
- ^ Маурер, Стивен М. «ЧЕЛОВЕК ИДЕИ» (PDF) . www.slac.stanford.edu . Проверено 4 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «В яблочко для МЕРЛИНА и Хаббла» . Университет Манчестера. 27 марта 1998 г.
- ^ П. Кервелла; и др. (19 октября 2016 г.). «Тесные звездные соединения α Центавра A и B до 2050 года». Астрономия и астрофизика . 594 : А107. arXiv : 1610.06079 . Бибкод : 2016A&A...594A.107K . дои : 10.1051/0004-6361/201629201 . S2CID 55865290 .
- ^ Белокуров В.; и др. (январь 2009 г.). «Две новые гравитационные линзы с большим разделением от SDSS». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 392 (1): 104–112. arXiv : 0806.4188 . Бибкод : 2009MNRAS.392..104B . дои : 10.1111/j.1365-2966.2008.14075.x . S2CID 14154993 .
- ^ Лофф, Сара; Данбар, Брайан (10 февраля 2015 г.). «Хаббл видит улыбающуюся линзу» . НАСА . Проверено 10 февраля 2015 г.
- ^ «Открытие первой гравитационной линзы «кольца Эйнштейна» . НРАО . 2000 . Проверено 8 февраля 2012 г.
- ^ Браун, Малкольм В. (31 марта 1998 г.). « Обнаружено «кольцо Эйнштейна», вызванное искривлением пространства» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 1 мая 2010 г.
- ^ Вегетти, Симона; и др. (январь 2012 г.). «Гравитационное обнаружение маломассивного темного спутника на космологическом расстоянии». Природа . 481 (7381): 341–343. arXiv : 1201.3643 . Бибкод : 2012Natur.481..341V . дои : 10.1038/nature10669 . ПМИД 22258612 . S2CID 205227095 .
- ^ Болтон, А; и др. «Хаббл, Слоан: четырехкратное число известных оптических колец Эйнштейна» . Хабблсайт . Проверено 16 июля 2014 г.
- ^ Огер, Мэтт; и др. (ноябрь 2009 г.). «Обзор ACS по линзе Слоана. IX. Цвета, линзирование и звездные массы галактик ранних типов». Астрофизический журнал . 705 (2): 1099–1115. arXiv : 0911.2471 . Бибкод : 2009ApJ...705.1099A . дои : 10.1088/0004-637X/705/2/1099 . S2CID 118411085 .
- ^ Кабанак, Реми; и др. (27 апреля 2005 г.). «Открытие кольца Эйнштейна с большим красным смещением». Астрономия и астрофизика . 436 (2): Л21–Л25. arXiv : astro-ph/0504585 . Бибкод : 2005A&A...436L..21C . дои : 10.1051/0004-6361:200500115 . S2CID 15732993 .
- ^ Белокуров В.; и др. (декабрь 2007 г.). «Космическая подкова: открытие кольца Эйнштейна вокруг гигантской светящейся красной галактики». Астрофизический журнал . 671 (1): L9–L12. arXiv : 0706.2326 . Бибкод : 2007ApJ...671L...9B . дои : 10.1086/524948 . S2CID 9908281 .
- ^ Гавацци, Рафаэль; и др. (апрель 2008 г.). «Обзор ACS с использованием линзы Слоана. VI: Открытие и анализ двойного кольца Эйнштейна». Астрофизический журнал . 677 (2): 1046–1059. arXiv : 0801.1555 . Бибкод : 2008ApJ...677.1046G . дои : 10.1086/529541 . S2CID 14271515 .
- ^ Матур, Смита; Наир, Сунита (20 июля 1997 г.). «Поглощение рентгеновских лучей в направлении кольцевого источника Эйнштейна PKS 1830-211». Астрофизический журнал . 484 (1): 140–144. arXiv : astro-ph/9703015 . Бибкод : 1997ApJ...484..140M . дои : 10.1086/304327 . S2CID 11435604 .
- ^ Гупта, Варша. «Обнаружение Чандрой рентгеновского кольца Эйнштейна в ПКС 1830-211» . ResearchGate.net . Проверено 16 июля 2014 г.
- ^ Курбен, Фредерик (август 2002 г.). «Космическое выравнивание по отношению к радиокольцу Эйнштейна PKS 1830-211?». Астрофизический журнал . 575 (1): 95–102. arXiv : astro-ph/0202026 . Бибкод : 2002ApJ...575...95C . дои : 10.1086/341261 . S2CID 13960111 .
- ^ Лэнгстон, Дж.; и др. (май 1989 г.). «MG 1654 + 1346 - изображение радиолепестка квазара в виде кольца Эйнштейна». Астрономический журнал . 97 : 1283–1290. Бибкод : 1989AJ.....97.1283L . дои : 10.1086/115071 .
- ^ Спилкер, Джастин С.; Фадке, Кедар А. (2 июня 2023 г.). «Пространственные изменения эмиссии ароматических углеводородов в богатой пылью галактике» . Природа . 618 (7966): 708–711. arXiv : 2306.03152 . Бибкод : 2023Natur.618..708S . дои : 10.1038/s41586-023-05998-6 . ПМИД 37277615 . S2CID 259088774 .
- ^ Хатчинс, Шана К. (5 июня 2023 г.). «Телескоп Уэбба обнаружил самые далекие органические молекулы во Вселенной» . Техас A&M сегодня . Проверено 29 июня 2023 г.
- ^ «Хаббл нашел двойное кольцо Эйнштейна» . Сайт Хабблсайт.org . Научный институт космического телескопа . Проверено 26 января 2008 г.
Журналы [ править ]
- Кабанак, РА; и др. (2005). «Открытие кольца Эйнштейна с большим красным смещением». Астрономия и астрофизика . 436 (2): Л21–Л25. arXiv : astro-ph/0504585 . Бибкод : 2005A&A...436L..21C . дои : 10.1051/0004-6361:200500115 . S2CID 15732993 . (относится к J0332-3357)
- Чволсон, О (1924). «О возможной форме вымышленных двойных звезд». Астрономические новости . 221 (20): 329–330. Бибкод : 1924AN....221..329C . дои : 10.1002/asna.19242212003 . (Первая статья, предлагающая кольца)
- Эйнштейн, Альберт (1936). «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле» (PDF) . Наука . 84 (2188): 506–507. Бибкод : 1936Sci....84..506E . дои : 10.1126/science.84.2188.506 . ПМИД 17769014 . [ постоянная мертвая ссылка ] (Знаменитая статья Кольца Эйнштейна)
- Хьюитт, Дж (1988). «Необычный радиоисточник MG1131+0456 — возможное кольцо Эйнштейна». Природа . 333 (6173): 537–540. Бибкод : 1988Natur.333..537H . дои : 10.1038/333537a0 . S2CID 23277001 .
- Ренн, Юрген; Зауэр, Тилман; Стэйчел, Джон (1997). «Происхождение гравитационного линзирования: постскриптум к научной статье Эйнштейна 1936 года». Наука . 275 (5297): 184–186. Бибкод : 1997Sci...275..184R . дои : 10.1126/science.275.5297.184 . ПМИД 8985006 . S2CID 43449111 .
- Кинг, Л. (1998). «Полное инфракрасное кольцо Эйнштейна в системе гравитационных линз B1938+666». МНРАС . 295 (2): Л41–Л44. arXiv : astro-ph/9710171 . Бибкод : 1998MNRAS.295L..41K . дои : 10.1046/j.1365-8711.1998.295241.x . S2CID 15647305 .
Новости [ править ]
- Барбур, Джефф (29 апреля 2005 г.). «Обнаружено почти идеальное кольцо Эйнштейна» . Вселенная сегодня . Проверено 15 июня 2006 г. (относится к J0332-3357)
- «Хаббл нашел двойное кольцо Эйнштейна» . Наука Дейли. 12 января 2008 г. Проверено 14 января 2008 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Кочанек, CS; Китон, ЧР; Маклеод, бакалавр (2001). «Важность колец Эйнштейна». Астрофизический журнал . 547 (1): 50–59. arXiv : astro-ph/0006116 . Бибкод : 2001ApJ...547...50K . дои : 10.1086/318350 . S2CID 16122139 .