XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

На сегодняшний день использование эффекта гравитационной линзы является единственным способом обнаружить темные, удаленные объекты в космосе. Целью данной работы является изучение действия гравитационных линз и рассмотрение мировых научных исследований связанных с гравитационными линзами.

Для начала разберемся, что такое гравитационная линза. Гравитационная линза представляет собой массивное тело (планета, звезда, галактика, скопление галактик, скопление тёмной материи), изменяющее своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как обычная линза изменяет направление светового луча.

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, являются достаточно большими сосредоточениями массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение в большинстве случаев не представляется возможным. Эффект гравитационного линзирования был обнаружен относительно не так давно. Только с появлением новейших телескопов ученым удалось наблюдать этот интересный эффект и детально исследовать механизм его появления.

То как происходит механизм линзирования, рассмотрим на рисунке 1.

Рис. 1.

По логике, свет, исходящий от дальнего квазара (одного из наиболее ярких объектов во Вселенной) или галактики в направлении Земли, должен попадать на Землю под прямым углом. Однако в некоторых случаях на пути этого света встречается другая галактика или сверхмассивная звезда, гравитационное поле, которое притягивает к себе электромагнитное излучение, направленное отдаленным объектом. Вследствие этого возникает эффект гравитационного линзирования, которому и посвящена данная работа.

Получается, что свет отдаленного объекта, попадая на галактику, находящуюся между ним и наблюдателем, искажает истинную форму источника, который послал его на Землю. Точно так же делает обычная линза. Свет, попадая на нее, искажается. Если посмотреть через нее на объект, пославший свет, мы увидим, что он стал намного крупнее.

Форма, которую гравитационное линзирование придает отдаленному источнику света, может отличаться, в зависимости от того, через какой объект в космическом пространстве проходят его лучи.

Самыми известными примерами искажения формы источника света являются:

Кольцо Эйнштейна.

Крест Эйнштейна.

Рис. 2. - Кольцо Эйнштейна

Рис. 3. - Крест Эйнштейна

Современному научному сообществу известно два возможных результата гравитационного линзирования: Кольцо и Крест Эйнштейна. Оба они зависят оттого, через какую структуру в космосе проходит свет. Если свет поступает к наблюдателю через компактную галактику, форма объекта испустившего луч зрительно увеличивается, кроме того, из точки она превращается в окружность. Именно эту окружность ученые называют Кольцом Эйнштейна. Второе интересное астрономическое явление – Крест Эйнштейна- так же вызвано гравитационным линзированием. Принцип его возникновения аналогичен предыдущему. Разница заключается только в том, что свет от отдаленного объекта проходит не через компактную, а через спиральную галактику. В результате этого мы видим фигуру, своей формой напоминающую крест

Углубившись в мир гравитационного линзирования мы узнаем ,что существует три класса гравитационных линз:

Сильное гравитационное линзирование, вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения.

Слабое гравитационное линзирование, вызывающее лишь малые искажения в изображении объекта, который находится позади линзы (далее — объект фона). Эти искажения могут быть зафиксированы только после статистического анализа большого количества объектов фона, что позволяет найти небольшое согласованное искажение их изображений. Линзирование проявляется в небольшом растяжении изображения перпендикулярно направлению к центру линзы. Изучая форму и ориентацию большого количества отдалённых галактик фона, мы получаем возможность измерить линзирующее поле в любой области. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы, чтобы восстановить распределение масс в данной области пространства; в частности, этим методом можно исследовать распределение тёмной материи. Поскольку галактики сами по себе обладают эллиптической формой и искажения от слабого линзирования малы, для использования этого метода необходимо наблюдение большого числа галактик фона. Такого рода обзоры должны тщательно учитывать многие источники систематической погрешности: собственную форму галактик, пространственную функцию отклика светочувствительной матрицы, атмосферные искажения и т. д. Результаты этих исследований важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и развития модели Лямбда-CDM, а также для того, чтобы обеспечить проверку непротиворечивости с другими космологическими наблюдениями.

Микролинзирование не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды Млечного Пути их планеты, а источником света — звёзды отдалённых галактик или квазары, находящиеся на ещё более далёком расстоянии. В отличие от первых двух случаев, изменение наблюдаемой картины при микролинзировании происходит за характерное время от секунд до сотен дней. Микролинзирование позволяет оценить количество слабосветящихся объектов с массами порядка звёздных (например, белых карликов) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является одним из методов поиска экзопланет.

Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды электромагнитного излучения, не только на видимый свет. Помимо вышеописанных обзоров галактик, слабое линзирование может изучаться по его влиянию на космическое микроволновое фоновое излучение. Сильное линзирование наблюдалось в радио- и рентгеновском диапазонах.

В случае сильного гравитационного линзирования, если наблюдается несколько изображений объекта фона, то свет от источника, идущий разными путями, будет приходить к наблюдателю в разное время; измерение этой задержки (например, от фонового квазара с переменной яркостью) позволяет оценить распределение масс вдоль луча зрения.

Но рассмотрим мы не только классы гравитационных линз. Следом мы перейдем к самым интересным гравитационным линзам и исследованиям, связанным с ними.

Эффект гравитационного линзирования астрономам удалось зафиксировать благодаря мощным оптическим приборам. Среди них орбитальный телескоп Хаббл. К примеру, совсем недавно при помощи телескопа Хаббл был сделан снимок галактического кластера SDSS J1038+4849, состоящего из двух галактик. Излучение одной галактики проходит через другую в результате чего образуется эффект Эйнштейновского Кольца – одной из разновидностей гравитационного линзирования, о которой мы говорили ранее (см. рис. 4).

А вот другой схожий объект был обнаружен уже при помощи телескопа Гершель, который был запущен на орбиту в 2009 году. Данный объект представляет собой галактический кластер со сложно запоминающимся именем – H1429-0028. Этот кластер так же, как и предыдущий, состоит из 2-ух галактик, одна из которых выступает линзой. В данном случае мы так же можем наблюдать Кольцо Эйнштейна (см. рис. 5).

Самой «интересной» гравитационной линзой на данный момент можно назвать гравитационную линзу ,создаваемую Солнцем ,если быть точнее исследование возможности её применения .Линза предоставит 100-миллиардное усиление сигнала, что, в свою очередь, позволит рассмотреть детали размером до 10 километров в поперечнике . Члены исследовательской команды утверждают, что это все равно, что рассмотреть на экзопланете что-то размером с Нью-Йорк.

Рис.4. - SDSS J1038+4849

Рис. 5. - H1429-0028

Как отмечается в пресс-релизе Аэрокосмической корпорации, согласно Теории относительности Эйнштейна, свет, путешествующий через пространство, будет изгибаться при прохождении рядом с достаточно массивными объектами. Это означает, что свет, идущий издалека, будет огибать солнечный диск и в итоге сойдется в фокальной области так, как если бы он прошел через линзу.

«Солнечная гравитационная линза требует размещения сети датчиков, которая будет наблюдать свет от экзопланет, как только они достигнут расстояния в примерно 50 миллиардов миль — или 550 астрономических единиц (а.е.) от Земли, — говорит один из соавторов исследования Том Хейншеймер. — Чтобы достичь этой солнечной гравитационной линии, рой космических аппаратов должен будет использовать солнечные паруса для вылета из Солнечной системы на скорости более 75 миль в секунду (более 120 километров в секунду. — Прим. авт.)».

Технологии навигации и ускорения должны удерживать датчики космических аппаратов на линии шириной 1,6 километра, в которой содержится свет от экзопланеты. Обратная связь длительностью в шесть световых дней будет непрактичной, поэтому космические аппараты должны быть адаптируемыми и способными к обучению.

Для проведения двухлетнего изучения SGL Аэрокосмическая корпорация получила 130 тысяч долларов во время второй фазы программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) по контракту с Лабораторией реактивного движения.

Выводы:

В работе мы изучили понятие гравитационной линзы ,рассмотрели ее действие и узнали научных исследований связанных с гравитационными линзами. Выяснили, что Наблюдения микролинзирования звезд с высокой фотометрической точностью дают принципиальную возможность обнаружения не только темной материи, но также и планетных систем у звезд. Открытие эффектов микролинзиронания было сделано на небольших наземных телескопах простыми и дешевыми средствами. Наряду с обнаружением эффектов микролинзирования были получены высокоточные кривые блеска многих десятков тысяч переменных звезд разных типов, что является важным вкладом в проблему изучения переменных звезд. Гравитационные линзы - весьма многообещающее явление, способное привести к самым неожиданным открытиям как в нашей Галактике, так и в самых далеких уголках Вселенной. Оно уже стало независимым и крайне важным астрономическим методом, с помощью которого можно получать ценную информацию о загадоч ной темной материи, измерять ключевые космологические параметры и наблюдать новые эффекты в движении небесных тел, которые невозможно увидеть традиционными астрономическими методами.

Литература:

Захаров А. Ф. Гравитационные линзы и микролинзы. — М.: Янус-К, 1997. — ISBN 5-88929-037-1.

Aerospace and jpl develop concept to view distant planets [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://aerospace.org/press-release/aerospace-and-jpl-develop-concept-view-distant-planets – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Чернин А. Д. Космические иллюзии и миражи // Квант. — 1988. — № 7. — С. 15—22.

Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravity Lens Mission [Электронныйреcурc]. – Режимдоcтупa: https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2018_Phase_I_Phase_II/Direct_Multipixel_Imaging_and_Spectroscopy – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Гравитационное линзирование [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://spacegid.com/gravitatsionnoe-linzirovanie.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Код для цитирования: Скопировать