Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование — это эффект искривления траектории света под действием гравитационного поля массивного объекта, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна. Массы тел в пространстве-времени создают кривизну, которая изменяет путь фотонов, пролетающих вблизи этих объектов. В отличие от классической оптики, здесь линза создаётся не стеклом или линзой, а геометрией пространства-времени.

Для слабого поля, когда отклонение света мало, угол отклонения α фотона, проходящего на расстоянии b от массы M, описывается формулой:

$$ \alpha = \frac{4GM}{c^2 b} $$

где G — гравитационная постоянная, c — скорость света, b — параметр сближения. Эта простая формула является точным приближением для большинства звезд и галактических массивов.

Классификация гравитационных линз

1. Сильное линзирование Происходит, когда массивный объект создаёт ярко выраженные визуальные эффекты: кольца Эйнштейна, дуги и множественные изображения. Основные признаки:

   • Наличие нескольких образов одного и того же источника.
   • Радиально-симметричные кольца при точном совпадении положения линзы и источника.
   • Сильное искривление световых путей вблизи массивных объектов (например, черных дыр или скоплений галактик).

2. Слабое линзирование Малые деформации формы фоновых галактик, проявляющиеся статистически при обработке большого числа изображений. Основные характеристики:

   • Квази-изометрические искажения эллиптических форм.
   • Используется для картирования распределения темной материи в галактиках и скоплениях.

3. Микролинзирование Случай, когда масса линзы слишком мала, чтобы создать разделяемые изображения, но вызывает временное увеличение яркости источника.

   • Практическое применение: поиск экзопланет, определение массового распределения компактных объектов в галактиках.

Математическое описание

Для симметричной линзы и небольших углов падения света используют уравнение линзы Эйнштейна:

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

где:

• θ⃗ — угол наблюдаемого изображения,
• β⃗ — угол истинного положения источника,
• D_S — расстояние до источника,
• D_LS — расстояние от линзы до источника,
• α⃗(θ⃗) — векторное отклонение света.

В случае точечной массы решение приводит к кольцу Эйнштейна с угловым радиусом:

$$ \theta_E = \sqrt{\frac{4GM}{c^2} \frac{D_{LS}}{D_L D_S}} $$

где D_L — расстояние до линзы. Кольцо Эйнштейна является идеализированным случаем точного совпадения источника и линзы по линии визирования.

Применение в астрофизике

Изучение распределения массы: Гравитационное линзирование позволяет определять массу объектов, включая невидимую темную материю. Сильное линзирование скоплений галактик выявляет распределение темной материи и структуру космических нитей.

Дистанционное зондирование космоса: Микролинзирование используется для поиска планет вне Солнечной системы и компактных объектов (черных дыр, нейтронных звезд) в галактиках.

Измерение космологических параметров: Временные задержки между множественными изображениями одного источника (например, квазара) позволяют оценивать постоянную Хаббла H₀ и другие космологические параметры.

Гравитационное линзирование чёрных дыр

Черные дыры являются экстремальными линзами, создавая уникальные эффекты:

• Кольца фотонов: свет, многократно оборачивающийся вокруг горизонта событий, формирует яркие кольцевые структуры, наблюдаемые в радиодиапазоне и оптическом диапазоне.
• Множественные изображения: близко расположенные источники могут формировать несколько изображений, разделённых на миллисекунды.
• Высокая точность моделирования: требует численных решений уравнений геодезических в метрике Шварцшильда или Керра.

Эти эффекты наблюдаются в ближних активных галактических ядрах и в центре Млечного Пути, где недавно была получена первая прямая визуализация горизонта событий.

Выводы по ключевым моментам

• Гравитационное линзирование — прямое следствие искривления пространства-времени массивными объектами.
• Различают сильное, слабое и микролинзирование, каждое из которых имеет специфические наблюдаемые эффекты.
• Математические модели основаны на уравнении линзы Эйнштейна и позволяют вычислять угловые размеры и интенсивность изображений.
• Практическое значение охватывает измерение масс объектов, распределение темной материи, поиск экзопланет и космологические исследования.
• Черные дыры создают экстремальные проявления линзирования, включая кольца фотонов и высокоизогнутые траектории света, что делает их важными объектами для проверки общей теории относительности.

Гравитационное линзирование остаётся одним из самых мощных инструментов современной астрофизики, соединяя наблюдательные методы с фундаментальными теориями гравитации.