🔭 Soczewkowanie grawitacyjne

Pierścień Einsteina to pełny, okrągły obraz źródła tła, powstający przy niemal idealnym wyrównaniu źródła, soczewki grawitacyjnej i obserwatora. Światło ze źródła omija soczewkę równomiernie ze wszystkich stron i dociera do obserwatora ze wszystkich kierunków wokół soczewki, tworząc pierścień o promieniu kątowym θ_E = √(4GM·D_LS/(c²·D_L·D_S)) — promień Einsteina, gdzie D_L, D_S i D_LS to odległości kątowe do soczewki, do źródła i między soczewką a źródłem. Idealne wyrównanie jest rzadkie; częściej niemal-wyrównanie daje jedynie częściowe łuki. Pierścienie i łuki Einsteina zaobserwowano w setkach układów soczewkujących galaktyka-galaktyka i gromada-galaktyka za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.

Masywne gromady galaktyk działają jak soczewki grawitacyjne na galaktyki tła. Promień Einsteina i stopień zniekształcenia łuków są powiązane z rzutowanym rozkładem masy gromady równaniem soczewki. Silne soczewkowanie (wielokrotne obrazy, łuki blisko rdzeni gromad) precyzyjnie ogranicza masę w obrębie promienia Einsteina. Słabe soczewkowanie (statystyczne wyrównanie kształtów galaktyk tła) mapuje rozkład masy do dużych promieni. Połączenie danych z silnego i słabego soczewkowania daje szczegółowe mapy masy gromad, ujawniając, że całkowita masa gromady (wliczając ciemną materię) zwykle przewyższa widoczną masę gwiazdową 50–100 razy, a gorący gaz międzygromadowy 5–10 razy.

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne zachodzi, gdy gwiazda na pierwszym planie (lub zwarty obiekt) przechodzi przed odleglejszą gwiazdą tła. Grawitacja gwiazdy-soczewki skupia światło gwiazdy tła, powodując tymczasowe, symetryczne wzmocnienie jasności — charakterystyczną krzywą blasku trwającą od dni do tygodni. Jeśli gwiazda-soczewka posiada planetę, dodatkowa grawitacja planety tworzy krótką anomalię (skok lub spadek) nałożoną na główną krzywą soczewkowania. Dopasowując kształt i czas trwania anomalii do modeli stosunku mas planeta-gwiazda i separacji, można wyznaczyć masy planet i separacje orbitalne. Mikrosoczewkowanie jest szczególnie czułe na planety w pobliżu promienia pierścienia Einsteina (kilka j.a.), uzupełniając metody tranzytów i prędkości radialnych.

W Gromadzie Kuli obserwacje rentgenowskie pokazują gorący gaz skupiony między dwiema zderzającymi się gromadami, spowolniony przez oddziaływania elektromagnetyczne, podczas gdy mapy masy z soczewkowania pokazują szczyty masy pokrywające się z bezzderzeniowymi galaktykami, a nie z gazem. Skoro masa podąża za składnikiem bezzderzeniowym, nie może to być zwykła materia, co czyni Gromadę Kuli jednym z najsilniejszych bezpośrednich dowodów na istnienie ciemnej materii.

Soczewkowanie grawitacyjne reaguje na całą materię, ciemną i barionową. Kosmiczne ścinanie mierzy wzrost struktury i geometrię czasoprzestrzeni, ograniczając parametry ciemnej energii. Wzmocnienie soczewkowe zwiększa jasność galaktyk tła, a krzyżowa korelacja map soczewkowania z przeglądami nieba ogranicza stałą Hubble'a i masę neutrin.

Suwak masy (od 0,2 do 3 mas Słońca) bezpośrednio skaluje promień w stylu Schwarzschilda uRs = 0,10 × masa, który ustala rozmiar cienia horyzontu zdarzeń, pierścienia sfery fotonowej i promienia pierścienia Einsteina (uRs × 1,9). Wszystkie trzy elementy wizualne rosną lub kurczą się razem, ponieważ wywodzą się z tej samej skali zależnej od masy.

Dla każdego piksela shader oblicza parametr zderzenia b i zakrzywia próbkowany kierunek tła w stronę soczewki o deflect = uRs / b — spadek 1/b w stylu Schwarzschilda, zgodny z rzeczywistym wzorem na ugięcie alpha = 4GM/(c^2 b). Wynik jest ograniczany do 2,5, aby zapobiec osobliwemu wzrostowi w centrum soczewki.

Gęstość gwiazd (10–100%) ustala, ile gwiazd tła rozproszono za soczewką. Wyższa gęstość oznacza więcej gwiazd przechodzących wystarczająco blisko promienia Einsteina, by zostać uchwyconymi w trakcie rozciągania w łuk, co odzwierciedla fakt, że prawdziwe przeglądy mikrosoczewkowania potrzebują wielu źródeł tła, aby wychwycić zdarzenia soczewkowania.

Przeciąganie zmienia środek soczewki używany do obliczania parametru zderzenia b dla każdego punktu pola. Przesunięcie soczewki wprowadza inny zestaw gwiazd tła w krytyczne pasmo promienia Einsteina, dlatego pierścień i łuki wydają się podążać za czarną dziurą podczas jej ruchu.

Ogólna teoria względności przewidywała ugięcie światła przez Słońce dokładnie dwukrotnie większe niż wynikałoby to z fizyki Newtona. Zespół Eddingtona sfotografował całkowite zaćmienie Słońca w 1919 roku, by zmierzyć niewielkie przesunięcie pozycji gwiazd blisko brzegu Słońca; wynik zgadzał się z przewidywaniem Einsteina, dostarczając pierwszego bezpośredniego eksperymentalnego potwierdzenia ogólnej teorii względności.