🌌 Гравітаційне лінзування — Кільце Ейнштейна

Масивні об'єкти викривляють просторово-часовий континуум, відхиляючи світло навколо них. Коли фонове джерело, масивна лінза та спостерігач ідеально вирівняні, світло обходить лінзу з усіх боків, утворюючи повне кільце Ейнштейна. Для джерел не по осі з'являються кратні зображення та дуги. Перетягніть джерело або лінзу, щоб вивчити геометрію лінзування. Фонове поле обчислюється попіксельно через рівняння лінзи точкової маси: β = θ − θE² / θ.

🇬🇧 English

Перетягуйте по полотну, щоб перемістити чорну діру • дотик-перетягування на мобільному

Параметри

Відображення

Акцент на кільці Ейнштейна / фотонному кільці

Статистика

Маса1.0 M
Радіус тіні ≈—
Позиція лінзицентр
Викривлення світла:
відхилення ∝ Rs/b

Радіус Шварцшильда:
Rs = 2GM/c²

Фотонна сфера:
r = 1.5 Rs

Від передбачення до відкриття

Ейнштейн передбачив відхилення світла Сонцем у 1915 році; експедиція Еддінгтона 1919 року підтвердила це під час сонячного затемнення. Перший гравітаційно лінзований квазар (подвійний квазар Q0957+561) був відкритий у 1979 році. Сьогодні гравітаційне лінзування — один з найпотужніших інструментів в космології: картування розподілу темної матерії в скупченнях галактик («Куля»), незалежне вимірювання сталої Хаббла та пошук екзопланет через мікролінзування. У моделі SIS (сингулярна ізотермальна сфера) рівняння лінзи приймає вигляд β = θ − θE·sgn(θ), утворюючи два рівнояскравих зображення по обидва боки лінзи.

Про гравітаційне лінзування

Гравітаційне лінзування — це викривлення шляху світла масивними об'єктами, пряме наслідок загальної теорії відносності. Рівняння поля Ейнштейна передбачають, що маса викривлює простір-час, а світло рухається геодезичними (найкоротшими) лініями в цьому викривленому просторі-часі — локально шлях здається прямим, але з погляду віддаленого спостерігача виявляється викривленим. Кут відхилення променя світла, що проходить біля маси M на найменшій відстані b, дорівнює 4GM/(c²b) — рівно вдвічі більше за ньютонівське передбачення. Цю розбіжність підтвердили спостереження Еддінгтона під час сонячного затемнення 1919 року, які стали першою емпіричною перевіркою загальної теорії відносності.

Розрізняють три режими гравітаційного лінзування залежно від геометрії «джерело-лінза-спостерігач». Сильне лінзування виникає, коли джерело, лінза та спостерігач майже ідеально вирівняні, утворюючи кільця Ейнштейна, дуги або кратні зображення однієї фонової галактики. Слабке лінзування спричиняє ледь помітні викривлення форм фонових галактик, які можна виміряти лише статистично на тисячах галактик, і використовується для картування розподілу темної матерії. Мікролінзування трапляється, коли компактний об'єкт (зоря, планета, чорна діра) проходить перед фоновою зорею, спричиняючи тимчасове посилення яскравості без утворення розрізнених зображень — цей ефект застосовують для пошуку екзопланет і темних компактних об'єктів.

Цей симулятор розміщує масивну лінзу між джерелом і спостерігачем та обчислює відхилені шляхи променів світла за допомогою рівняння гравітаційної лінзи, відтворюючи викривлене зображення фонового джерела. Ви можете змінювати масу лінзи, положення джерела та прицільний параметр, щоб спостерігати перехід від слабкого викривлення до сильного дугоутворення й формування кільця Ейнштейна, а також дослідити, як лінзування відображає розподіл маси лінзи — демонструючи методи, якими космологи зважують скупчення галактик і виявляють темну матерію.

Часті запитання

Що таке кільце Ейнштейна і коли воно утворюється?

Кільце Ейнштейна — це повне кругове зображення фонового джерела, яке утворюється, коли джерело, гравітаційна лінза та спостерігач перебувають в ідеальному вирівнюванні. Світло від джерела однаковою мірою обходить лінзу з усіх боків і доходить до спостерігача з усіх напрямків навколо лінзи — утворюючи кільце кутовим радіусом θ_E = √(4GM·D_LS/(c²·D_L·D_S)), радіусом Ейнштейна. Ідеальне вирівнювання трапляється рідко; частіше майже точне вирівнювання дає часткові дуги. Кільця та дуги Ейнштейна спостерігав космічний телескоп Габбл у сотнях систем лінзування «галактика-галактика» та «скупчення-галактика».

Як гравітаційне лінзування використовують для зважування скупчень галактик?

Масивні скупчення галактик діють як гравітаційні лінзи для фонових галактик. Радіус Ейнштейна та ступінь викривлення дуг пов'язані з проєктованим розподілом маси скупчення через рівняння лінзи. Сильне лінзування точно обмежує масу в межах радіуса Ейнштейна. Слабке лінзування картографує розподіл маси на великих відстанях через статистичне вирівнювання форм фонових галактик. Поєднання даних сильного і слабкого лінзування дає детальні карти маси скупчень, показуючи, що повна маса скупчення (включно з темною матерією) зазвичай перевищує видиму зоряну масу у 50–100×.

Що таке мікролінзування і як його використовують для пошуку екзопланет?

Гравітаційне мікролінзування відбувається, коли передня зоря проходить перед більш віддаленою фоновою зорею. Гравітація зорі-лінзи фокусує світло фонової зорі, спричиняючи тимчасове симетричне посилення яскравості. Якщо зоря-лінза має планету, додаткова гравітація планети створює короткочасну аномалію, накладену на основну криву лінзування. Підганяючи форму й тривалість цієї аномалії під моделі співвідношення мас планета-зоря та відстані між ними, можна визначити маси планет і розміри їхніх орбіт. Мікролінзування особливо чутливе до планет поблизу радіуса кільця Ейнштейна (кілька астрономічних одиниць), доповнюючи методи транзитів і променевих швидкостей.

Як гравітаційне лінзування підтвердило існування темної матерії в Кулястому скупченні?

Кулясте скупчення (1E 0657-558) — це два скупчення галактик, що пройшли одне крізь одне близько 100 мільйонів років тому. Рентгенівські спостереження показують, що гаряний газ, який заповнює простір між галактиками скупчення, зосереджений між двома скупченнями — газ уповільнили електромагнітні взаємодії під час зіткнення, тоді як самі галактики (безстолкновувальні зорі) пройшли крізь одна одну безперешкодно. Карти маси, побудовані за гравітаційним лінзуванням, показують, що піки маси збігаються саме з галактиками, а не з газом. Оскільки маса «слідує» за безстолкновувальним компонентом, вона не може бути звичайною матерією — це має бути темна матерія, яка, як і галактики, пройшла крізь скупчення, не взаємодіючи електромагнітно. Кулясте скупчення вважають одним із найпереконливіших прямих доказів існування темної матерії з частинок.

Як гравітаційне лінзування застосовують у космології?

Гравітаційне лінзування — потужний космологічний інструмент, оскільки воно реагує на всю матерію, темну й баріонну, без жодних припущень про її фізичний стан. Космічний зсув (слабке лінзування великомасштабною структурою Всесвіту) вимірює зростання структур і геометрію простору-часу, обмежуючи щільність темної енергії та її рівняння стану. Підсилення яскравості внаслідок лінзування робить видимими фонові галактики, чиї зсуви до червоного інакше були б надто тьмяними для спостереження. Крос-кореляція карт лінзування з оглядами галактик і вимірюваннями реліктового випромінювання дає незалежні обмеження на сталу Хаббла та масу нейтрино.