Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование — это явление отклонения света от прямолинейного пути под действием гравитационного поля массивного тела. Оно является прямым следствием общей теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что массивные объекты искривляют пространство-время, а следовательно, и траектории фотонов.

Важнейший принцип, лежащий в основе гравитационного линзирования, заключается в том, что свет движется по геодезическим линии искривлённого пространства-времени. Вблизи массивного объекта, такого как звезда, галактика или скопление галактик, наблюдается явное отклонение направления светового луча.

Геометрическая схема линзирования

Гравитационное линзирование обычно описывается через три ключевых компонента:

  1. Источник света (S) – объект, излучающий свет, например, удалённая звезда или квазара.
  2. Линза (L) – массивное тело, создающее искривление пространства-времени и действующее как “гравитационная линза”.
  3. Наблюдатель (O) – точка, с которой регистрируется свет от источника.

При идеальном выравнивании этих трёх объектов возникает кольцо Эйнштейна — круговое изображение источника вокруг линзы. Если же выравнивание не идеально, наблюдаются дугообразные или множественные изображения.

Формула для углового отклонения света

Для малых углов отклонения при слабых гравитационных полях используется приближённая формула:

$$ \hat{\alpha} = \frac{4 G M}{c^2 b}, $$

где:

  • α̂ — угол отклонения светового луча,
  • G — гравитационная постоянная,
  • M — масса линзы,
  • c — скорость света,
  • b — расстояние луча до центра массы (импакт-параметр).

Эта формула является первым приближением и справедлива для точечных масс и слабых полей.

Типы гравитационного линзирования

Гравитационное линзирование классифицируется в зависимости от интенсивности эффекта:

  1. Слабое линзирование

    • Отклонение света мало, изображения источника слегка искажены или растянуты.
    • Используется для изучения распределения тёмной материи в галактических скоплениях и картирования крупномасштабной структуры Вселенной.
    • Основные наблюдаемые эффекты: слабая форма дуг и статистическое искажение формы галактик.

  2. Сильное линзирование

    • Происходит при значительном отклонении света, когда формируются множественные изображения, дуги или кольца Эйнштейна.
    • Служит точным инструментом для измерения массы галактик и скоплений галактик, а также для выявления распределения тёмной материи.

  3. Микролинзирование

    • Проявляется при прохождении света через компактные объекты небольшой массы, например, планеты, белые карлики, нейтронные звёзды.
    • Наблюдается как временное увеличение яркости источника, без образования множественных изображений.
    • Применяется для поиска экзопланет и компактных массивов тёмной материи.

Математическая модель линзирования

Для тонкой линзы, когда размер линзы много меньше расстояний между наблюдателем и источником, используется уравнение гравитационной линзы:

$$ \vec{\beta} = \vec{\theta} - \frac{D_{LS}}{D_S} \hat{\alpha}(\vec{\theta}), $$

где:

  • β⃗ — угловая координата источника,
  • θ⃗ — угловая координата изображения,
  • DS — расстояние от наблюдателя до источника,
  • DLS — расстояние от линзы до источника,
  • α̂(θ⃗) — угол отклонения, зависящий от распределения массы линзы.

Это уравнение позволяет рассчитать положение изображений источника для произвольного распределения массы линзы.

Применение гравитационного линзирования

  1. Астрономическая и космологическая диагностика

    • Определение массы галактик и скоплений, включая невидимую тёмную материю.
    • Измерение гравитационных потенциалов и профилей плотности.

  2. Измерение космологических параметров

    • Использование временных задержек между множественными изображениями квазаров для оценки постоянной Хаббла.
    • Исследование эволюции структуры Вселенной.

  3. Поиск экзопланет и компактных объектов

    • Микролинзирование позволяет обнаруживать планеты в системах, которые невозможно наблюдать прямыми методами.

  4. Тестирование общей теории относительности

    • Точное измерение углов отклонения света вблизи массивных объектов служит проверкой предсказаний Эйнштейна.

Наблюдательные методы

Современные методы наблюдения включают:

  • Космические телескопы, такие как Hubble, которые фиксируют дуги и кольца Эйнштейна.
  • Наземные телескопы с широким полем обзора для статистического анализа слабого линзирования.
  • Спутниковые миссии, ориентированные на микролинзирование, например, OGLE и MOA.

Гравитационное линзирование обеспечивает уникальный доступ к изучению невидимой массы и динамики космических структур, расширяя наши возможности исследования Вселенной на самых разных масштабах.

Оглавление