Grawitacyjne skupianie się: Jak masa krzyżuje światło w pierszećach

Masa krzywi ścieżkę, którą bierze światło

Relatywisto-kowaleryjska teoria grawitacji zastępuje siłą grawitacyjną Newtona krzywe spacją: masa mówi spacji, jak ją krzywić, a światło — które zawsze porusza się najprostszym możliwym ścieżką lokalnie, geodezycję — krzywi się razem ze spacją. Foton przepuszczony przez masę M o parametrze buntu b zostanie odlecił o kąt, który Einstein wyliczył w 1915 roku:

α = 4GM / (c² b) G = stała grawitacyjna, M = masa przeliterująca c = prędkość światła, b = odległość najbardziej zbliżona Ten czynnik 4 zamiast 2 był kluczowym testem: raczej Newtonowska logika, że światło jest cząstką, przewiduje połowę tego odlecia. Wyprawa słoneczna Eddingtona w 1919 roku pomiaru mierzyła większą, relatywisto-kowaleryjską wartość, konwertując ogólną teorię grawitacji z eleganckiej równania na potwierdzoną teorię w ciągu nocy.

α = 4GM / (c² b)

G = gravitational constant, M = lensing mass
c = speed of light, b = closest approach distance

Od jednego skrzyżowanego promienia do równania lustra

System rzucania cieniem ma na tle źródło, przedmiot zmasowany na przeszkodzie i obserwatora, które nie są w idealnym położeniu. Geometria mapuje prawdziwe położenie źródła β do widocznego położenia obrazu θ poprzez równanie lustra:

β = θ - (Dls / Ds) · α(θ) Dls = odległość lustra→źródło, Ds = odległość obserwatora→źródło α(θ) = kąt odchylenia w widocznym położeniu θ Ponieważ α(θ) zależy od θ, to równanie może mieć wiele rozwiązań — wielu wartości θ mapujących do tego samego β. To dokładnie dlaczego pojedyncze tło quasara może wyglądać jak dwa, cztery lub (z bardziej skomplikowanym lustrzem) nawet więcej oddzielnych obrazów na niebie, wszystkie prawdziwe światło z tego samego źródła, skrzyżowane w różnych ścieżkach wokół przedmiotu zmasowanego.

β = θ - (Dls / Ds) · α(θ)

Dls = distance lens→source,  Ds = distance observer→source
α(θ) = deflection angle at apparent position θ

Pierścień Einstaina

Kiedy źródło, lustrzanka i obserwator są idealnie położone, symetria problemu powoduje, że światło tworzy pełny pierścień okrążający masę lustrzanki — pierścień Einstaina — o promieniu kątowym wyznaczonym całkowicie przez masę lustrzanki i dwie odległości:

θE = √( 4GM/c² · Dls / (Dl · Ds) ) Dl = odległość obserwator→lustrzanka Każda nieporządkowanie przerzuca pierścień na dyskretnych łuku lub obrazach punktowych, ale θE nadal ustawia skalę charakterystyczną całego wzoru lustrzanki — jest to jedna liczba, której astronomiczni badacze rozwiązują najpierw przy modelowaniu nowej lustrzanki, ponieważ bezpośrednio przekształca się ona w szacunek masy lustrzanki.

θE = √( 4GM/c² · Dls / (Dl · Ds) )

Dl = distance observer→lens

Silne, słabe i mikrolensing

Silne skupianie się – wielokrotne obrazy, łuki, pełne pętle – występuje w pobliżu masowego szkieletora, takiego jak klaster galaktyczny, i odsłania bezpośrednio rozkład masy, w tym ciemnej materii, która przewyższa masę widocznych galaktyk w nim wielokrotnie. Słabe skupianie się to ta sama fizyka działająca łagodniej na całym niebie: odległe galaktyki są niewybaczalnie rozciągnięte i ustawione przez interwencję dużej struktury skalnej, a statystyczna średnia milionów małych deformacji mapuje rozkład materii kosmicznej, w tym ciemną materię, bez potrzeby pojedynczej dramatycznej pętli. Mikrolensing wykorzystuje znacznie mniejsze i bliższe masy (gwiazdę, planety nomadzkie), które chwilowo zwiększają światło tła gwiazdy, gdy przechodzą przez linię pola widzenia – nie jest rozrysowana żadna pętla, ale charakterystyczne wzorzec mgnienia i zmiany jasności jest to, co astronomicznie odkrywa planety nomadzkie i ogranicza, ile z materiału ciemnej materii Mlecznej Krzyżówki może być obywatelnymi obiektami skończonego rozmiaru.

Dlaczego to ważne dla mrocznej materii

Lensing pomaga bezpośrednio wyznaczyć całą masę przyciągającą, na podstawie ugięcia światła, bez założenia, że ta masa świeci. Porównanie mapy masy lensego z mapą widzialnej, emitującej X-ray ciepłej gazu jest jednym z najprostszych dowodów na istnienie mrocznej materii — szczególnie w Sklepowym Grupku, gdzie kolizja odsunęła ciepły gaz (widoczny jako X-rays) od mrocznej materii (zaznaczanej przez lensego), pozostawiając oba czysto oddzielone w przestrzeni i rozstrzygając pytanie w korzyści mrocznej materii nad większością alternatyw do teorii grawitacji.

Często zadawane pytania