Gravitációs lencse

A gravitációs lencse hatásának szimulációja

Az Einstein-kereszt : A QSO 2237 + 0305 kvazár a Földről nézve pontosan egy 400 millió fényévnyire lévő galaxis magja mögött áll , amely gravitációs lencseként működik. A gravitációs lencse négy hasonlóan világos képet hoz létre kereszt formájában, a közepén a galaxis maggal.

A csillagászat, a gravitációs lencse hatás az elhajlása fény nagy tömegek . A név az optikai lencsék és a gravitációs erő analógiájából származik .

Alapvetően egy távoli forrásból , például egy csillagból , egy galaxisból vagy más csillagászati ​​objektumból származó fényt befolyásol egy előtte lévő tárgy, a gravitációs lencse , amelyet a megfigyelő lát .

A gravitációs lencse által eltérített fénysugarak erőteljesebben térnek el a tömeg felé, annál közelebb mennek át a terelő tömeghez. A gravitációs lencse összpontosítja azt a fényt, amely a terelő tömeget átviszi a tárgy és a megfigyelő közötti tengelyre . Az objektumot különböző távolságokon áthaladó fénysugarak azonban különböző távolságokon keresztezik a tengelyt. Ennek eredményeként a gravitációs lencse nem képes valós képet alkotni az optikai képalkotás szempontjából . A helyette keletkező fényeloszlás maró hatású .

A gravitációs lencse gravitációs mezőjében a fény terjedési iránya megváltozik, így a forrás helye az égen eltolódottnak tűnik. Képed felerősíthető, torzítható vagy akár reprodukálható is. A páratlan szám tétel szerint mindig van páratlan számú kép. Néhány kép azonban annyira meggyengülhet, hogy csak páros szám figyelhető meg.

Az érintett tárgyak tömegétől és alakjától ( tömegeloszlásától ), valamint egymáshoz viszonyított helyzetétől függően a hatás erőssége változhat, a látványosan torzított több képtől kezdve a fényerő enyhe változásáig, így beszélve az erős gravitációs tényezőkről lencsehatás , a gyenge gravitációs lencsehatás és a mikrolencse- effektus . A gravitációs lencsehatás speciális esete a kozmikus nyírás .

Isaac Newton már 1704-ben gyanította a gravitációs fény elhajlását Opticks című művének 1. számú híres lekérdezésében . Az első mennyiségi szempont jött 1800 körül, de ez volt az első helyesen leírt in 1915-1916 by Albert Einstein az ő általános relativitáselmélet . Miután az első észrevételeket a nap 1919-ben néhány elméleti munka, de ez nem volt 1979-ig, hogy további gravitációs lencsék észleltek a javuló megfigyelési technikák. Azóta a gravitációs lencse a megfigyelési csillagászat sokszínű területévé vált, és más területek, például a kozmológia eszközévé is vált .

történelem

Az általános relativitáselmélet (GTR) első célzott kísérleti áttekintését, amely nagy nyilvánosság figyelmét felkeltette és híressé tette az elméletet, 1919-ben hajtották végre. Ellenőrizte az ART előrejelzését, miszerint a fény, mint minden elektromágneses sugárzás, gravitációs mezőben térül el. Az 1919. május 29-i napfogyatkozást használták a csillag helyzetének látszólagos elmozdulásának mérésére a napkorong közelében , mivel itt kell a legerősebbnek lennie. Einstein elméletének azt a jóslatát, miszerint a csillagkorongot, amely a napkorong szélét legelteti a Föld felé vezető úton, 1,75  ívmásodperccel kell eltéríteni, az eredeti mérés 20% -os eltéréssel megerősítette.

Klasszikus, d. H. Newton gravitációs elméletével vagy a speciális relativitáselmélet segítségével kiszámítva a hatás csak fele akkora lenne, mivel csak az idő koordinátája változik, és nem a tér koordinátája. Newton gravitációs elméletét követõ 0,83 ívmásodperces eltérítést már 1801 márciusában kiszámította Johann Georg von Soldner .

Később hasonló méréseket végeztek továbbfejlesztett műszerekkel. Az 1960-as években a kvazárok helyzetét mérték, 1,5% -os pontossággal, míg a VLBI-vel (Very Long Baseline Interferometry) végzett hasonló mérések később 0,2% -ra növelték a pontosságot. A 100 000 csillag helyzetét az ESA Hipparcos műholdja is megmérte, amely lehetővé tette az ART előrejelzéseinek 0,1% -os pontossággal történő ellenőrzését. A Gaia ESA űrszondának , amelyet 2013. december 19-én indítottak el, több mint egymillió csillag helyzetét kell megmérnie, és így még pontosabban meghatározni a tér görbületét .

fenomenológia

elv

Gravitációs lencse - sematikus ábra

balra: nem terelt sugárköteg vákuumban, jobbra: fekete lyuk által elhajolt sugarak (animáció)

A nagyon nagy tömegű objektumok más irányba irányítják az elektromágneses hullámokat. Ennek megfelelően a háttérobjektum képe elmozdul, eltorzul és esetleg megsokszorozódik.

Különleges megnyilvánulása a mikrolencsés hatás . Itt az elhajlás olyan kicsi, hogy nem regisztrálódik térbeli eltolódásként, inkább a fényerő átmeneti növekedéseként válik észrevehetővé.

A hatás alapja minden esetben a tér görbületét tárgyak okozta vagy energia tartalmú masszát leírt szerint Albert Einstein az ő általános relativitáselméletet , mint a gravitáció hatására a tér-idő.

Ez a hatás a teljes napfogyatkozáson mutatható ki olyan csillagokon, amelyek nagyon közel vannak a nap nézési irányához, és ettől egyébként felülmúlják: Ezeknek a csillagoknak a helyzete ekkor kissé eltolódott a naptól. Arthur Eddington megfelelő megfigyelése 1919-ben biztosította az első relatív relativitás kísérleti megerősítését. Einstein lehetségesnek, de aligha valószínűnek tartotta, hogy megfelelő körülmények között ugyanazon tárgyról több képet is láthatunk. Ennek a hatásnak azonban csak a csillagokra gondolt; 1937-ben Fritz Zwicky azt vizsgálta, hogy egy galaxis milyen gravitációs lencseként jelentkezhet. 1963-ban Yu. G. Klimov, S. Liebes és Sjur Refsdal egymástól függetlenül, hogy a kvazárok ideális fényforrásokat jelentenek ehhez a hatáshoz.

Erős gravitációs lencsehatás

A távoli galaxisok körszakaszként jelennek meg, itt Abell 2218

A fény elhajlásának szimulációja neutroncsillagon

A gravitációs lencse megszerzéséhez a szokásos, vagyis csillagászati értelemben általában szükség van olyan csillagászati ​​tárgyak rendkívül intenzív gravitációs terére, mint a fekete lyukak , galaxisok vagy galaxishalmazok . Ezekkel lehetséges, hogy a gravitációs lencse mögött fekvő fényforrás nemcsak eltolódottnak tűnik, hanem hogy a megfigyelő több képet is lát. Az első ilyen „erős gravitációs lencsét” 1979-ben fedezték fel: az „Twin Quasar” Q0957 + 561-et . Jól ismert példa az Einstein- kereszt , amelyet 1985- ben fedeztek fel a Pegasus csillagképben , ugyanazon tárgy négyszeres képét. Bizonyos körülmények között a gravitációs lencse mögötti tárgy zárt vonalként jelenik meg Einstein-gyűrű formájában .

Az első gravitációs lencsét, amely nem egyetlen galaxisból, hanem egy galaxishalmazból áll ( Abell 370 ), 1987-ben Genevieve Soucail, Yannick Mellier és mások Toulouse-ban, valamint Vahé Petrosian és Roger Lynds az Egyesült Államokban ismerték el ilyennek.

Gyenge gravitációs lencse

Gyenge torzítás esetén - egy gyenge vagy távoli gravitációs mező miatt - a gravitációs lencse hatásai nem közvetlenül láthatók, mivel a gravitációs lencse mögött lévő tárgyak tényleges alakja nem ismert. Ebben az esetben még mindig lehetséges a gravitációs mező meghatározása statisztikai módszerekkel a háttérben lévő számos galaxis alakjának és orientációjának vizsgálatával. Feltételezzük, hogy a galaxisok orientációja a háttérben véletlenszerű lenne gravitációs lencse nélkül. Gravitációs lencsével nyírhatja a hátteret, így a galaxisok gyakrabban jelennek meg egy gyűrű mentén egy erős gravitációs térrel rendelkező régiók körül. A lencsehatást kiváltó tömegeloszlás ebből határozható meg.

Mivel ez a hatás kicsi, nagyszámú galaxist kell megvizsgálni elegendő statisztikai szignifikancia szempontjából . Számos lehetséges szisztematikus hibát is figyelembe kell venni. Ide tartozik a galaxisok belső alakja, a használt kamera pontelterjedési funkciója, a távcső képalkotó hibái és bizonyos körülmények között a föld légkörében tapasztalható nyugtalanság, amely a kép torzulásához is vezethet.

Microlens hatás

Fő cikk: Mikro lencse effektus

Ellentétben azzal, amit Einstein feltételezett (lásd fent), megfigyelhetők azok a hatások is, amelyeket egyetlen csillag gyakorol a háttér tárgy sugárzására. Számos MACHO- t észleltek, mert egyetlen csillag egy sokkal gyengébb objektum fényét kötötte maga mögé, és így (röviden) felerősítette. Szintén kívüli bolygókat lehetett detektálni ezzel a hatással.

A nap lencsehatásának fókuszpontja körülbelül 82,5 milliárd kilométerre vagy 550 csillagászati ​​egységre esik, és körülbelül 100 milliószoros nagyítást eredményezne.

Extrém esetekben egy galaxis gravitációja rendkívüli nagyítást eredményezhet. Ez lehetővé tette például a legtávolabbi csillag, a MACS J1149 Lenses Star 1 felfedezését 9 milliárd fényév alatt (2018-tól).

Alkalmazások

Ha egy gravitációs lencse (a földi megfigyelő szempontjából) a háttérobjektum fényét fókuszálja, akkor megvizsgálhatók olyan tárgyak, amelyeket másként nem lehetett regisztrálni alacsony látszólagos fényerejük miatt. Ez lehetővé teszi a galaxisok nagy távolságban történő megfigyelését, így a kozmosz fejlődésének nagyon korai korszakaiban.

Különböző Einstein gyűrűk (a Hubble űrtávcső fogta el )

Ezenkívül a sugárzás eloszlása ​​a képsíkon lehetővé teszi a gravitációs lencse tulajdonságainak (tömeg és tömegeloszlás) vizsgálatát. A teljes tömeget közvetlenül úgy kapjuk meg, hogy nem kell feltételeznünk a sötét anyag arányát .

A gravitációs lencse képek statisztikai kiértékelésével korlátozni lehet a paramétereket, például a kozmológiai állandót vagy az egész univerzum anyagsűrűségét . A Hubble-állandó gravitációs lencsék segítségével is pontosabban meghatározható, ahogyan Sjur Refsdal megjósolta 1964-ben. A Zürichi Egyetem és az USA kutatói így nagy pontossággal meghatározták az univerzum korát 13,5 milliárd évre.

Az a tény, hogy a tárgy PS1-10afx, felfedezte a japán csillagászok 2010-ben a Panoramic Survey Telescope és gyors beavatkozási rendszer ( Pan-Starrs / Hawaii ) volt, nézett , mint egy Hypernova , hogy felrobbant kilencmilliárd évvel ezelőtt, de ez volt a szupernóva a Az Ia típus hasonló volt, de ahhoz túl fényesnek tűnt. Amikor 2013-ban egy gyengén izzó galaxist figyeltek meg az előtérben ebben a régióban, amelyet korábban a pontosan mögötte lévő fényesebb szupernóva tompított, kiderült, hogy a robbanás során kibocsátott fény a föld irányába kötődött ennek a galaxisnak a gravitációs lencséje és a szupernóva 30-szor fényesebb volt, mint amilyennek a nagyító hatás nélkül megjelent. Ezen megfigyelések alapján a csillagászok most azt feltételezik, hogy a jövőben még több ilyen tárgyat fedeznek fel, mert valószínűnek tartják, hogy a távolság növekedésével - valahol a szupernóva sugárzás Föld felé vezető útján - gravitációs lencsehatás léphet fel.

irodalom

• Peter Schneider, Jürgen Ehlers , Emilio E. Falco: Gravitációs lencsék . Springer, Berlin 1999, ISBN 978-3-540-66506-9 .
• Joachim Wambsganß : Gravitációs lencsék - az asztrofizika univerzális eszközei . 1999 ( PostScript fájl)
• Frédéric Courbin és mtsai: Gravitációs lencse - asztrofizikai eszköz. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-44355-X .
• Peter Schneider, Chris Kochanek, Joachim Wambsganss: Gravitációs lencse : erős, gyenge és mikro . Saas Fee Advanced Course 33, Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-30309-X .
• Tommaso Treu, Philip J. Marshall, Douglas Clowe: Forrásbetű: Gravitációs lencse . arxiv : 1206.0791 (a gravitációs lencsék témájával foglalkozó szakirodalom áttekintése)

web Linkek

• Albert Einstein: Lencsehatás a csillag gravitációs mezőjének eltérítő hatásán keresztül . In: alberteinstein.info . 1936. április 12.

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Chris Kitchin: exobolygók: megtalálni, felfedezni és megérteni idegen világok , Springer 2012 ISBN 978-1-4614-0643-3 függelékében IV o., 255. oldaltól.
2. ↑ Isaac Newton : Opticks : vagy a fényvisszaverések, fénytörések, hajlatok és színek értekezése. Szintén két értekezés a görbe vonalú alakok fajtájáról és nagyságáról . Octavo, Palo Alto, Kalifornia, 1998, ISBN 1-891788-04-3 (angol nyelvű, Nicholas Humez jegyzete. Az Opticks eredetileg 1704-ben jelent meg).  
3. ^ Albert Einstein: Egy csillag lencse-szerű hatása a fény eltérésével a gravitációs mezőtudományban , 84. kötet, sz. 2188, 1936. december 4., 506-507, pdf ; Sidney Kedves: Gravitációs lencsék . Physical Review, vol. 133, 1964. évi 3B. Kiadás, 835–844. bibcode : 1964PhRv..133..835L
4. ^ VR Eshleman: A nap gravitációs lencséje - megfigyelési és kommunikációs lehetőségei csillagközi távolságokon keresztül. Science, vol. 205, 1979. szeptember 14., 1133-1135. bibcode : 1979Sci ... 205.1133E
5. ↑ Frank W. Dyson , Arthur Stanley Eddington , C. Davidson: A fény elhajlásának meghatározása a Nap gravitációs terének segítségével, az 1919. május 29-i teljes napfogyatkozás során készített megfigyelésekből . In: Philos. Trans. Royal Soc. London . 220A, 1920, 291-333. (Angol)
6. ↑ Johann Georg von Soldner : A fénysugárnak a lineáris mozgásától való eltérítéséről egy kozmikus test vonzásán keresztül, amelyet közel ad át . In: Berlini csillagászati ​​évkönyv . 1804, 161-172.
7. ↑ Peter Schneider: Gravitációs lencsék: A gyenge lencsehatás. In: astro.uni-bonn.de. Archivált az eredeti március 2, 2016-os ; Letöltve: 2013. augusztus 22 . 
8. Elly Kelly, Patrick L.: Egyetlen csillag rendkívüli nagyítása az 1.5-ös vöröseltolódáskor egy galaxishalmaz-lencsével . In: Természetcsillagászat . 2. szám, 4. szám, 2018. április 2., 334–342. arxiv : 1706.10279 . bibcode : 2018NatAs ... 2..334K . doi : 10.1038 / s41550-018-0430-3 .
9. ↑ Ann Jenkins, Ray Villard, Patrick Kelly: Hubble feltárja a valaha látott legtávolabbi csillagot . In: NASA . 2018. április 2.
10. ↑ Manfred Lindinger: A megengedettnél erősebb furcsa csillagrobbanás. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung . 2014. április 25. Letöltve: 2017. július 25 .