Gravitacijska leča: opredelitev, vrste, modeliranje

Gravitacijska leča je razporeditev snovi (npr. kopica galaksij) med oddaljenim virom svetlobe, ki lahko upogne svetlobo s satelita proti opazovalcu, in opazovalcem. Ta učinek je znan kot gravitacijska leča, obseg upogibanja pa je ena od napovedi Alberta Einsteina v splošna teorija relativnost. Klasična fizika nam govori tudi o upogibanju svetlobe, vendar je to le polovica tistega, kar kot pravi GTR.

Ustvarjalec

Čeprav je Einstein leta 1912 opravil neobjavljene izračune na to temo, sta Orest Hvalson (1924) in František Link (1936) na splošno veljala za prva, ki sta opredelila učinek gravitacijske leče. Še vedno pa se bolj povezuje z Einsteinom, ki je leta 1936 objavil članek.

Dokaz teorije

Fritz Zwicky je leta 1937 predlagal, da bi ta učinek lahko omogočil skupinam galaksij, da delujejo kot gravitacijska leča. Pojav so potrdili šele leta 1979 z opazovanjem kvazarja Twin QSO SBS 0957 + 561.

Opis

V nasprotju z optično lečo gravitacijska leča povzroči največji odklon svetlobe, ki gre najbližje njenemu središču. In minimalni, ki se razteza preko tega. Zato gravitacijska leča nima ene same goriščne točke, ampak ima linijo. Izraz je v kontekstu odklona svetlobe prvič uporabil O.J. Lodge. Poudaril je, da "Nesprejemljivo je trditi, da gravitacijska leča Sonca deluje na ta način, saj zvezda nima goriščne razdalje".

Če so vir, masivni predmet in opazovalec v ravni črti, se bo svetloba vira pojavila kot obroč okoli snovi. Če je premik, namesto tega je viden le segment. Gravitacijsko lečo je leta 1924 v Sankt Peterburgu prvič omenil fizik Orest Khvolson, Albert Einstein pa jo je leta 1936 količinsko opredelil. V literaturi se na splošno imenujejo Albertovi obročki, saj se prvi niso ukvarjali s tokom ali polmerom.

Kadar je leča kompleksna (na primer skupina galaksij ali kopica) in ne povzroča sferičnega popačenja prostor-časa, je vir najpogosteje podoben delnim lokom, razpršenim okoli leče. Opazovalec lahko nato vidi več spremenjenih podob istega predmeta. Njihovo število in oblika sta odvisna od njihove medsebojne lege in modelacije gravitacijske leče.

Trije razredi

1. Močna leča.

kjer so zlahka vidna popačenja, kot so tvorba Einsteinovih obročev, lokov in več slik.

2. Šibka leča.

Kadar so razlike med viri ozadja veliko manjše in jih je mogoče odkriti le s statistično analizo velikega števila objektov, da bi našli le nekaj odstotkov koherence. Objektiv se statistično kaže kot prednostno raztezanje materialov v ozadju pravokotno na središče. Če sta izmerjeni oblika in orientacija velikega števila oddaljenih galaksij, lahko njihove lokacije povprečimo in tako izmerimo premik v polju leče na katerem koli območju. To pa lahko uporabimo za rekonstrukcijo porazdelitve mase: zlasti lahko rekonstruiramo ločitev ozadja temne snovi. Ker so galaksije po naravi eliptične in je šibek signal gravitacijske leče majhen, morajo te študije uporabiti zelo veliko število galaksij. Pri podatkih iz študij šibkih leč se je treba skrbno izogniti številnim pomembnim virom sistematičnih napak: notranji obliki, težnji po popačenju funkcije razpršitve točke kamere in sposobnosti atmosferskega vida, da spremeni slike.

Rezultati teh študij so pomembni za oceno gravitacijskih leč v vesolju, boljše razumevanje in izboljšanje modela Lambda-CDM ter preverjanje skladnosti z drugimi opazovanji. Prav tako lahko v prihodnosti zagotovijo pomembno omejitev glede temne energije.

3. Mikrolensing.

Kadar popačenje oblike ni vidno, vendar se količina svetlobe, prejete od predmeta v ozadju, s časom spreminja. Predmet leč so lahko zvezde v Mlečni cesti, vir ozadja pa so krogle v oddaljeni galaksiji ali, v drugem primeru, še bolj oddaljen kvazar. Učinek je majhen, tako da bo tudi galaksija z maso, ki je 100 milijardkrat večja od mase Sonca, ustvarila več slik, ki jih loči le nekaj kotnih sekund. Galaktične gruče lahko ustvarijo razliko nekaj minut. V obeh primerih so viri precej oddaljeni, več sto megaparsekov od našega vesolja.

Časovni zamik

Gravitacijske leče delujejo enako na vse vrste elektromagnetnega sevanja, ne le na vidno svetlobo. Šibki učinki so preučeni za kozmično mikrovalovno ozadje in galaktične raziskave. Močne leče so opazili tudi v radijskem in rentgenskem načinu. Če takšen predmet ustvari več slik, bo med obema potema relativni časovni zamik. To pomeni, da bo na eni leči opis opazen prej kot na drugi.

Tri vrste predmetov

1. Zvezde, ostanki, rjave pritlikavke in planeti.

Ko objekt v galaksiji prečka razdaljo med Zemljo in oddaljenim svetiščem, izostri in okrepi svetlobo iz ozadja. Več tovrstnih dogodkov so opazili v Velikem Magellanovem oblaku, majhnem vesolju blizu Mlečne ceste.

2. Galaksije.

Masivni planeti lahko delujejo tudi kot gravitacijske leče. Svetloba iz vira zunaj vesolja se upogne in izostri, da ustvari slike.

3. Kopice galaksij.

Masivno telo lahko ustvarja slike oddaljenega telesa, ki leži za njim, običajno v obliki raztegnjenih lokov - sektorji Einsteinovega obroča. Gravitacijske leče v kopicah omogočajo opazovanje svetil, ki so predaleč ali prešibka, da bi jih bilo mogoče videti. Ker pogled na velike razdalje pomeni pogled v preteklost, ima človeštvo dostop do informacij o zgodnjem vesolju.

Sončeva gravitacijska leča

Albert Einstein je leta 1936 napovedal žarki svetlobe v isti smeri kot robovi gostiteljske zvezde, se bodo zbližale v žarišče pri približno 542 a.е. Tako bi lahko sonda, ki je od Sonca oddaljena toliko (ali več), Sonce uporabila kot gravitacijsko lečo in povečala oddaljene predmete na nasprotni strani. Lokacija sonde se lahko premakne potreba po izbira različnih ciljev.

Drakeova sonda

Ta razdalja daleč presega napredek in zmogljivosti vesoljskih sond, kot je Voyager 1, ter znane planete, čeprav se bo Sedna v tisočletjih premikala naprej po svoji zelo eliptični orbiti. Zaradi visokega izkoristka za potencialno zaznavanje signalov skozi to lečo, kot so mikrovalovi na 21-centimetrski vodikovi črti, je Frank Drake v zgodnjih dneh SETI domneval, da bi lahko sondo poslali tako daleč. ESA je leta 1993 predlagala večnamenski sistem SETISAIL in pozneje FOCAL.

Vendar se pričakuje, da bo to težka naloga. Če sonda preide 542 a.е., Povečevalne sposobnosti objektiva bodo delovale tudi pri večjih razdaljah, saj se žarki, ki se izostrijo na večjih razdaljah, oddaljijo od popačenj sončne korone. Kritiko tega koncepta je podal Landis, ki je razpravljal o vprašanjih, kot so interferenca, velika povečava tarče, zaradi katere bi bilo težko projicirati goriščno ravnino misije, in analiza lastne sferične aberacije objektiva.