Кольцо Эйнштейна

Кольцо Эйнштейна, также кольцо Эйнштейна — Хвольсона — изображение какого-либо источника света (галактика, звезда и т. п.), искажённое до кольцеобразной формы под действием более близкого объекта очень большой массы (например, другой галактики или чёрной дыры) в результате гравитационного линзирования[1][2]. Явление возникает, когда источник излучения, объект-линза и наблюдатель находятся на одной прямой.

Космическая подкова (снимок телескопа «Хаббл»)

Первое полное кольцо Эйнштейна, обозначаемое B1938+666, было открыто в рамках совместной работы астрономов Университета Манчестера и наблюдателей на телескопе Хаббл в 1998 году[3].

Введение

Гравитационное линзирование предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности. Свет от источника движется не строго по прямой линии (в трёхмерном пространстве), но его траектория изгибается при наличии массивного тела, искривляющего пространство-время. Кольцо Эйнштейна представляет собой особый тип гравитационного линзирования, вызванного точным расположением источника, линзы и наблюдателя вдоль одной прямой. Такая конфигурация приводит к симметрии изображения вокруг объекта-линзы и выглядит как кольцеобразная структура.

Геометрия гравитационной линзы

Размер кольца Эйнштейна задаётся радиусом Эйнштейна. В радианах его значение равно

где

 — гравитационная постоянная,
 — масса линзирующего объекта,
 — скорость света,
 — угловое расстояние до линзы,
 — угловое расстояние до источника
 — угловое расстояние между линзой и источником.

Заметим, что в общем случае .

История
Результат гравитационного линзирования галактики SDP.81, полученный телескопами ALMA[4]

Искривление света гравитирующим телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Renn et al. 1997). Кольцеобразное явление впервые было упомянуто Орестом Хвольсоном в короткой статье 1924 года, в котором автор указывал на «эффект гало», возникающий при расположении источника, объекта-линзы и наблюдателя вдоль одной прямой[5]. Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, идея которой была навеяна письмом чехословацкого инженера Р. В. Мандля[6], при этом утверждая, что наблюдать такое явление практически невозможно из-за необходимости как точного расположения объектов и наблюдателя вдоль одной прямой, так и малой разрешающей способности инструментов наблюдения. Однако Эйнштейн рассматривал только линзирование света звёздами, а такое явление действительно маловероятно наблюдать. Но линзирование галактиками или чёрными дырами наблюдать проще вследствие большего размера кольца Эйнштейна.

На данный момент, по-видимому, не было наблюдений линзирования света звезды другой звездой, но существует 45 % вероятность пронаблюдать такое явление в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра A пройдет между Солнцем и более далёкой красной звездой[7].

Известные кольца Эйнштейна
«Смайлик» или «Чеширский Кот»: изображение скопления галактик (SDSS J1038+4849) и результата гравитационного линзирования ими (кольцо Эйнштейна), открытое международной группой исследователей,[8] снимок телескопа Хаббл[9]

В настоящее время известны сотни явлений гравитационного линзирования. Среди них есть фрагменты колец Эйнштейна с диаметрами до угловой секунды. Поскольку в общем случае распределение массы в объекте-линзе не является абсолютно осесимметричным или же источник, линза и наблюдатель не находятся строго на одной прямой, то мы не наблюдаем идеального кольца Эйнштейна. Большинство колец было открыто в радиодиапазоне.

Первое кольцо Эйнштейна открыли Хьюитт и др. (1988), наблюдавшие радиоисточник MG1131+0456 на телескопах Very Large Array. Наблюдение показало, что квазар линзируется близкой галактикой, что приводит к возникновению двух очень похожих изображений одного и того же объекта. Изображения вытянуты вокруг объекта-линзы почти в полное кольцо.[10] Такие двойные изображения также могут быть следствием неколлинеарного расположения источника, линзы и наблюдателя.

Первым открытым полным кольцом Эйнштейна стало B1938+666, обнаруженное Кингом и др. (1998) по оптическим данным после наблюдения линзы, проведенного на инструменте MERLIN.[3][11] Галактика, чьё влияние приводит к формированию линзированного изображения B1938+666, является старой эллиптической галактикой, а линзируемый объект представляет собой тёмную карликовую галактику-спутник, которую в отсутствии линзирования мы не смогли бы пронаблюдать при современной технике.[12]

Некоторые кольца Эйнштейна, наблюдавшиеся в обзоре SLACS

В 2005 году совместная работа в рамках обзора Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и телескопа Хаббл использовалась в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS), что привело к обнаружению 19 новых гравитационных линз, 8 из которых обладали кольцами Эйнштейна,[13] они показаны на изображении справа. По состоянию на 2009 год в рамках обзора были найдены 85 гравитационных линз.[14] Данный обзор позволил обнаружить наибольшее количество колец Эйнштейна в оптическом диапазоне, среди которых

  • FOR J0332-3557, открытое Remi Cabanac и др. в 2005 году,[15] примечательно большим красным смещением, что позволяет использовать объект для исследования ранних этапов развития Вселенной.
  • «Космическая подкова» является частичным кольцом Эйнштейна, наблюдавшимся у линзы LRG 3-757, крупной яркой красной галактики. Открыто в 2007 году В. Белокуровым и др.[16]
  • SDSSJ0946+1006, «двойное кольцо Эйнштейна» открыто в 2008 году Рафаэлем Гавации и Томассо Трю[17] и примечательно наличием нескольких колец вокруг одной гравитационной линзы.
Кольцо Эйнштейна SDP.81 и линзированная галактика[18]

Другим примером является радио-/рентгеновское кольцо вокруг PKS 1830—211, неожиданно яркое в радиодиапазоне.[19] Кольцо открыли в рентгеновском диапазоне Varsha Gupta и др. по наблюдениям телескопа Чандра.[20] Это первый случай наблюдения квазара, линзированного видимой почти плашмя спиральной галактикой.[21]

Также существует радиокольцо вокруг галактики MG1654+1346, изображение в кольце является изображением радиолопасти квазара, открытого в 1989 году G.Langston и др.[22]

Кратные кольца
SDSSJ0946+1006 является примером двойного кольца Эйнштейна. Изображение получено HST/NASA/ESA

Рафаэль Гавацци из STScI и Томмасо Трю из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре по данным телескопа Хаббл обнаружили двойное кольцо Эйнштейна. Излучение приходит от трёх галактик на расстоянии 3,6 и 11 млрд световых лет. Такие кольца помогают исследовать распределение тёмной материи, тёмной энергии, изучать природу далёких галактик и кривизну Вселенной. Шанс обнаружить такое кольцо оценивается как 1 к 10 000. Наличие 50 двойных колец позволит астрономам более точно определить распределение тёмной материи и уравнение состояния тёмной энергии.[23]

Моделирование
Кольца Эйнштейна вблизи чёрной дыры

Справа представлено изображение по данным моделирования прохождения чёрной дыры Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром Галактики. Первое кольцо Эйнштейна является очень сильно деформированным участком изображения и показывает галактический диск. При увеличении видна серия из 4 дополнительных колец с уменьшающейся шириной по мере приближения к тени чёрной дыры. Эти кольца также представляют собой изображения диска Галактики. Первое и третье кольцо соответствуют точкам за чёрной дырой (с точки зрения наблюдателя) и соответствуют яркой жёлтой области диска Галактики (ближе к центру), а второе и четвёртое кольцо соответствуют изображениям объектов за наблюдателем, кажущихся более голубыми из-за меньшей толщины галактического диска.

Галерея
  • Арки вокруг SDSSJ0146-0929 представляют собой фрагменты кольца Эйнштейна.[24]
  • Моделирование прохождения чёрной дыры перед галактикой

Примечания
  1. Einstein's Telescope - video (02:32), The New York Times (5 марта 2015). Дата обращения 27 декабря 2015.
  2. Overbye, Dennis. Astronomers Observe Supernova and Find They're Watching Reruns, The New York Times (5 марта 2015). Дата обращения 5 марта 2015.
  3. A Bull's Eye for MERLIN and the Hubble. University of Manchester (27 марта 1998).
  4. ALMA at Full Stretch Yields Spectacular Images, ESO Announcement. Дата обращения 22 апреля 2015.
  5. Turner, Christina The Early History of Gravitational Lensing (14 февраля 2006). Архивировано 25 июля 2008 года.
  6. http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/31/1/31-1-maurer.pdf
  7. P. Kervella et al. Close stellar conjunctions of α Centauri A and B until 2050 (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — 2016. — 19 October (vol. 594). — P. A107. — doi:10.1051/0004-6361/201629201. — arXiv:1610.06079.
  8. Belokurov, V. et al. Two new large-separation gravitational lenses from SDSS (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — Oxford University Press, 2009. — January (vol. 392, no. 1). — P. 104—112. — doi:10.1111/j.1365-2966.2008.14075.x. — . — arXiv:0806.4188.
  9. Loff, Sarah; Dunbar, Brian Hubble Sees A Smiling Lens. NASA (10 февраля 2015). Дата обращения: 10 февраля 2015.
  10. Discovery of the First "Einstein Ring" Gravitational Lens. NRAO (2000). Дата обращения: 8 февраля 2012.
  11. Browne, Malcolm W.. 'Einstein Ring' Caused by Space Warping Is Found, The New York Times (31 марта 1998). Дата обращения 1 мая 2010.
  12. Vegetti, Simona et al. Gravitational detection of a low-mass dark satellite at cosmological distance (англ.) // Nature. — 2012. — January (vol. 481, no. 7381). — P. 341—343. — doi:10.1038/nature10669. — . — arXiv:1201.3643. — PMID 22258612.
  13. Bolton A. et al. Hubble, Sloan Quadruple Number of Known Optical Einstein Rings. Hubblesite. Дата обращения: 16 июля 2014.
  14. Auger, Matt et al. The Sloan Lens ACS Survey. IX. Colors, Lensing and Stellar Masses of Early-type Galaxies (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2009. — November (vol. 705, no. 2). — P. 1099—1115. — doi:10.1088/0004-637X/705/2/1099. — . — arXiv:0911.2471.
  15. Cabanac, Remi et al. Discovery of a high-redshift Einstein ring (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — 2005. — 27 April (vol. 436, no. 2). — P. L21—L25. — doi:10.1051/0004-6361:200500115. — . — arXiv:astro-ph/0504585.
  16. Belokurov, V. et al. The Cosmic Horseshoe: Discovery of an Einstein Ring around a Giant Luminous Red Galaxy (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2007. — December (vol. 671, no. 1). — P. L9—L12. — doi:10.1086/524948. — . — arXiv:0706.2326.
  17. Gavazzi, Raphael et al. The Sloan Lens ACS Survey. VI: Discovery and Analysis of a Double Einstein Ring (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2008. — April (vol. 677, no. 2). — P. 1046—1059. — doi:10.1086/529541. — . — arXiv:0801.1555.
  18. Montage of the SDP.81 Einstein Ring and the lensed galaxy. Дата обращения: 9 июня 2015.
  19. Mathur, Smita; Nair, Sunita. X-Ray Absorption toward the Einstein Ring Source PKS 1830-211 (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1997. — 20 July (vol. 484, no. 1). — P. 140—144. — doi:10.1086/304327. — . — arXiv:astro-ph/9703015.
  20. Gupta, Varsha Chandra Detection of AN X-Ray Einstein Ring in PKS 1830-211. ResearchGate.net. Дата обращения: 16 июля 2014.
  21. Courbin, Frederic. Cosmic alignment towards the radio Einstein ring PKS 1830-211 ? (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2002. — August (vol. 575, no. 1). — P. 95—102. — doi:10.1086/341261. — . — arXiv:astro-ph/0202026.
  22. Langston, G.I. et al. MG 1654+1346 - an Einstein Ring image of a quasar radio lobe (англ.) // Astronomical Journal. — 1989. — May (vol. 97). — P. 1283—1290. — doi:10.1086/115071. — .
  23. Hubble Finds Double Einstein Ring. Hubblesite.org. Space Telescope Science Institute. Дата обращения: 26 января 2008.
  24. Cosmic cloning. www.spacetelescope.org. Дата обращения: 2 апреля 2018.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.