кольцо Эйнштейна

Особенность, наблюдаемая при гравитационном линзировании света объектом

Кольцо Эйнштейна , также известное как кольцо Эйнштейна–Хвольсона или кольцо Хвольсона (названное в честь Ореста Хвольсона ), создается, когда свет от галактики или звезды проходит мимо массивного объекта на пути к Земле. Из-за гравитационного линзирования свет отклоняется, из-за чего кажется, что он исходит из разных мест. Если источник, линза и наблюдатель находятся в идеальном выравнивании ( сизигия ), свет выглядит как кольцо.

Введение

Гравитационное линзирование предсказывается общей теорией относительности Альберта Эйнштейна . ^[1] Вместо того, чтобы свет от источника двигался по прямой линии (в трех измерениях), он искривляется присутствием массивного тела, которое искажает пространство-время . Кольцо Эйнштейна — это особый случай гравитационного линзирования, вызванного точным выравниванием источника, линзы и наблюдателя. Это приводит к симметрии вокруг линзы, вызывая кольцеобразную структуру. ^[2]

Геометрия полного кольца Эйнштейна, полученная с помощью гравитационной линзы

Размер кольца Эйнштейна определяется радиусом Эйнштейна . В радианах он равен

${\displaystyle \theta _{1}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {D_{LS}}{D_{S}D_{L}}}}},}$

где

${\displaystyle G}$- гравитационная постоянная ,

${\displaystyle M}$масса линзы,

${\displaystyle c}$это скорость света ,

${\displaystyle D_{L}}$- угловой диаметр расстояния до линзы,

${\displaystyle D_{S}}$- угловой диаметр расстояния до источника, а

${\displaystyle D_{LS}}$— это угловой диаметр расстояния между линзой и источником. ^[3]

На космологических расстояниях в целом. ${\displaystyle D_{LS}\neq D_{S}-D_{L}}$

История

Гравитационно-линзированная галактика SDP.81, полученная ALMA . ^[4]

Искривление света гравитационным телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Ренн и др., 1997). Кольцевой эффект был впервые упомянут в академической литературе Орестом Хвольсоном в короткой статье в 1924 году, в которой он упомянул «эффект гало» гравитации, когда источник, линза и наблюдатель находятся в почти идеальном выравнивании. ^[5] Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, на которую его подтолкнуло письмо чешского инженера Р. В. Мандла, ^[6], но заявил

Конечно, нет никакой надежды наблюдать это явление непосредственно. Во-первых, мы едва ли когда-либо достаточно близко приблизимся к такой центральной линии. Во-вторых, угол β будет бросать вызов разрешающей способности наших инструментов.

—  Наука т. 84 стр. 506 1936

(В этом утверждении β — радиус Эйнштейна, в настоящее время обозначаемый как в выражении выше.) Однако Эйнштейн рассматривал только вероятность наблюдения колец Эйнштейна, создаваемых звездами, которая мала — вероятность наблюдения колец, создаваемых более крупными линзами, такими как галактики или черные дыры, выше, поскольку угловой размер кольца Эйнштейна увеличивается с массой линзы. ${\displaystyle \theta _{1},}$

Первое полное кольцо Эйнштейна, обозначенное как B1938+666, было обнаружено в 1998 году в результате сотрудничества астрономов Манчестерского университета и космического телескопа «Хаббл» НАСА . ^[7]

По-видимому, не было никаких наблюдений за звездой, образующей кольцо Эйнштейна с другой звездой, но есть 45% вероятность того, что это произойдет в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра А пройдет между нами и далекой красной звездой. ^[8]

Известные кольца Эйнштейна

Изображение «Смайлик» или «Чеширский кот» скопления галактик (SDSS J1038+4849) и гравитационное линзирование («кольцо Эйнштейна»), обнаруженное международной группой ученых, ^[9] получено с помощью HST . ^[10]

В настоящее время известны сотни гравитационных линз. Около полудюжины из них являются частичными кольцами Эйнштейна с диаметрами до угловой секунды , хотя, поскольку либо распределение масс линз не является идеально аксиально симметричным , либо источник, линза и наблюдатель не идеально выровнены, нам еще предстоит увидеть идеальное кольцо Эйнштейна. Большинство колец было обнаружено в радиодиапазоне. Степень полноты, необходимая для того, чтобы изображение, видимое через гравитационную линзу, квалифицировалось как кольцо Эйнштейна, еще предстоит определить.

Первое кольцо Эйнштейна было обнаружено Хьюиттом и др. (1988), которые наблюдали радиоисточник MG1131+0456 с помощью Very Large Array . В ходе этого наблюдения квазар был линзирован более близкой галактикой на два отдельных, но очень похожих изображения одного и того же объекта, изображения были растянуты вокруг линзы в почти полное кольцо. ^[11] Эти двойные изображения являются еще одним возможным эффектом неидеального выравнивания источника, линзы и наблюдателя.

Изображение SPT0418-47 в искусственных цветах, полученное с помощью телескопа JWST , галактики с большим красным смещением, богатой органическими молекулами, которая выглядит как почти идеальное кольцо Эйнштейна.

Первое полное кольцо Эйнштейна было обнаружено в B1938+666, которое было обнаружено Кингом и др. (1998) с помощью оптического наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл гравитационной линзы, полученной с помощью MERLIN . ^{[7] [12]} Галактика, создающая линзу в B1938+666, является древней эллиптической галактикой , а изображение, которое мы видим через линзу, является темной карликовой галактикой-спутником , которую мы не смогли бы увидеть с помощью современных технологий. ^[13]

В 2005 году объединенная мощь Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) с космическим телескопом Хаббл была использована в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS) для обнаружения 19 новых гравитационных линз, 8 из которых показали кольца Эйнштейна, ^[14] это те 8, которые показаны на соседнем изображении. По состоянию на 2009 год этот обзор обнаружил 85 подтвержденных гравитационных линз, но пока нет числа, показывающего, сколько из них показывают кольца Эйнштейна. ^[15] Этот обзор ответственен за большинство недавних открытий колец Эйнштейна в оптическом диапазоне, ниже приведены некоторые примеры, которые были обнаружены:

• ДЛЯ J0332-3557, обнаруженного Реми Кабанаком и др. в 2005 году ^[16], примечательного своим высоким красным смещением , что позволяет нам использовать его для наблюдений за ранней Вселенной .
• « Космическая подкова » — это частичное кольцо Эйнштейна, которое наблюдалось через гравитационную линзу LRG 3-757, ярко-красной галактики. Она была открыта в 2007 году В. Белокуровым и др. ^[17]
• SDSSJ0946+1006 , «двойное кольцо Эйнштейна», было открыто Рафаэлем Гавацци и Томассо Треу ^[18] в 2008 году и примечательно наличием нескольких колец, наблюдаемых через одну и ту же гравитационную линзу, значение которых объясняется в следующем разделе, посвященном дополнительным кольцам .

Другим примером является радио-/рентгеновское кольцо Эйнштейна вокруг PKS 1830-211, которое необычайно сильно в радиодиапазоне. ^[19] Оно было обнаружено в рентгеновском диапазоне Варшей Гуптой и др. в рентгеновской обсерватории Чандра. ^[20] Оно также примечательно тем, что является первым случаем линзирования квазара почти плоской спиральной галактикой . ^[21]

Галактика MG1654+1346 имеет радиокольцо. Изображение в кольце — это радиолепесток квазара , открытый в 1989 году Г.Лэнгстоном и др. ^[22]

В июне 2023 года группа астрономов под руководством Джастина Спилкера объявила об открытии кольца Эйнштейна в далекой галактике, богатой органическими молекулами ( ароматическими углеводородами ). ^{[23] [24]}

Дополнительные кольца

SDSSJ0946+1006 — двойное кольцо Эйнштейна. Кредит: HST / NASA / ESA

Используя космический телескоп Хаббл, Рафаэль Гавацци из STScI и Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили двойное кольцо . Оно возникает из-за света от трех галактик на расстоянии 3, 6 и 11 миллиардов световых лет. Такие кольца помогают понять распределение темной материи , темной энергии , природу далеких галактик и кривизну Вселенной . Шансы найти такое двойное кольцо вокруг массивной галактики составляют 1 к 10 000. Выборка 50 подходящих двойных колец предоставит астрономам более точное измерение содержания темной материи во Вселенной и уравнения состояния темной энергии с точностью до 10 процентов. ^[25]

Моделирование

Ниже в разделе Галерея представлена ​​симуляция, изображающая зум на черной дыре Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром галактики. Первое кольцо Эйнштейна является наиболее искаженной областью изображения и показывает галактический диск . Затем зум показывает серию из 4 дополнительных колец, все более тонких и близких к тени черной дыры. Это множественные изображения галактического диска. Первое и третье соответствуют точкам, которые находятся за черной дырой (с точки зрения наблюдателя) и соответствуют здесь ярко-желтой области галактического диска (близко к галактическому центру), тогда как второе и четвертое соответствуют изображениям объектов, которые находятся за наблюдателем, которые кажутся более синими, поскольку соответствующая часть галактического диска здесь тоньше и, следовательно, более тусклой.

Галерея

• 
  Некоторые наблюдали кольца Эйнштейна с помощью SLACS
• 
  Изящные дуги вокруг SDSSJ0146-0929 являются примерами кольца Эйнштейна.
• 
  Имитация черной дыры, проходящей перед галактикой.
• 
  Монтаж кольца Эйнштейна SDP.81 и линзированной галактики
• 
  Кольца Эйнштейна рядом с черной дырой

Смотрите также

• Крест Эйнштейна
• Радиус Эйнштейна
• SN Рефсдал

Ссылки

1. Overbye, Dennis (5 марта 2015 г.). «Астрономы наблюдают сверхновую и обнаруживают, что наблюдают повторы». The New York Times . Получено 5 марта 2015 г.
2. Дрейкфорд, Джейсон; Корум, Джонатан; Овербай, Деннис (5 марта 2015 г.). "Телескоп Эйнштейна - видео (02:32)". The New York Times . Получено 27 декабря 2015 г. .
3. Притчард, Джонатан. «Гравитационное линзирование» (PDF) . Гарвард и Смитсоновский институт. стр. 19 . Получено 21 декабря 2019 г. .
4. "ALMA на полной мощности выдает впечатляющие изображения". Объявление ESO . Получено 22 апреля 2015 г.
5. Тернер, Кристина (14 февраля 2006 г.). "Ранняя история гравитационного линзирования" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2008 г.
6. Маурер, Стивен М. «IDEA MAN» (PDF) . www.slac.stanford.edu . Получено 4 ноября 2023 г. .
7. "A Bull's Eye for MERLIN and the Hubble". Манчестерский университет. 27 марта 1998 г.
8. P. Kervella; et al. (19 октября 2016 г.). "Тесные звездные соединения α Центавра A и B до 2050 г.". Astronomy & Astrophysics . 594 : A107. arXiv : 1610.06079 . Bibcode :2016A&A...594A.107K. doi :10.1051/0004-6361/201629201. S2CID  55865290.
9. Белокуров, В.; и др. (январь 2009 г.). «Две новые гравитационные линзы с большим разделением из SDSS». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 392 (1): 104–112. arXiv : 0806.4188 . Bibcode : 2009MNRAS.392..104B. doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.14075.x . S2CID  14154993.
10. Лофф, Сара; Данбар, Брайан (10 февраля 2015 г.). «Хаббл видит улыбающийся объектив». NASA . Получено 10 февраля 2015 г. .
11. "Открытие первой гравитационной линзы "кольцо Эйнштейна"". NRAO . 2000. Получено 08.02.2012 .
12. Браун, Малкольм В. (1998-03-31). «Найдено «кольцо Эйнштейна», вызванное искривлением пространства». The New York Times . Получено 2010-05-01 .
13. Vegetti, Simona; et al. (январь 2012). «Гравитационное обнаружение маломассивного темного спутника на космологическом расстоянии». Nature . 481 (7381): 341–343. arXiv : 1201.3643 . Bibcode :2012Natur.481..341V. doi :10.1038/nature10669. PMID  22258612. S2CID  205227095.
14. Болтон, А. и др. «Четверное число известных оптических колец Эйнштейна Хаббла, Слоана». Сайт Хаббла . Получено 16 июля 2014 г.
15. Оже, Мэтт и др. (ноябрь 2009 г.). «Обзор линзы Слоуна ACS. IX. Цвета, линзирование и звездные массы галактик раннего типа». The Astrophysical Journal . 705 (2): 1099–1115. arXiv : 0911.2471 . Bibcode : 2009ApJ...705.1099A. doi : 10.1088/0004-637X/705/2/1099. S2CID  118411085.
16. Кабанак, Реми и др. (2005-04-27). «Открытие кольца Эйнштейна с высоким красным смещением». Астрономия и астрофизика . 436 (2): L21–L25. arXiv : astro-ph/0504585 . Bibcode : 2005A&A...436L..21C. doi : 10.1051/0004-6361:200500115. S2CID  15732993.
17. Белокуров, В.; и др. (декабрь 2007 г.). «Космическая подкова: открытие кольца Эйнштейна вокруг гигантской яркой красной галактики». The Astrophysical Journal . 671 (1): L9–L12. arXiv : 0706.2326 . Bibcode :2007ApJ...671L...9B. doi :10.1086/524948. S2CID  9908281.
18. Гавацци, Рафаэль и др. (апрель 2008 г.). «Обзор линзы Слоуна ACS. VI: Открытие и анализ двойного кольца Эйнштейна». The Astrophysical Journal . 677 (2): 1046–1059. arXiv : 0801.1555 . Bibcode : 2008ApJ...677.1046G. doi : 10.1086/529541. S2CID  14271515.
19. Матур, Смита; Наир, Сунита (20 июля 1997 г.). "Поглощение рентгеновских лучей в направлении источника кольца Эйнштейна PKS 1830-211". The Astrophysical Journal . 484 (1): 140–144. arXiv : astro-ph/9703015 . Bibcode : 1997ApJ...484..140M. doi : 10.1086/304327. S2CID  11435604.
20. Гупта, Варша. "Обнаружение рентгеновского кольца Эйнштейна в PKS 1830-211 с помощью Chandra". ResearchGate.net . Получено 16 июля 2014 г.
21. Курбин, Фредерик (август 2002 г.). «Космическое выравнивание в направлении радиокольца Эйнштейна PKS 1830-211 ?». The Astrophysical Journal . 575 (1): 95–102. arXiv : astro-ph/0202026 . Bibcode :2002ApJ...575...95C. doi :10.1086/341261. S2CID  13960111.
22. Langston, GI; et al. (Май 1989). "MG 1654+1346 - изображение радиолепестка квазара с помощью кольца Эйнштейна". Astronomical Journal . 97 : 1283–1290. Bibcode : 1989AJ.....97.1283L. doi : 10.1086/115071.
23. Spilker, Justin S.; Phadke, Kedar A. (2 июня 2023 г.). «Пространственные вариации эмиссии ароматических углеводородов в богатой пылью галактике». Nature . 618 (7966): 708–711. arXiv : 2306.03152 . Bibcode :2023Natur.618..708S. doi :10.1038/s41586-023-05998-6. PMID  37277615. S2CID  259088774.
24. Хатчинс, Шана К. (5 июня 2023 г.). «Телескоп Уэбба обнаруживает самые далекие органические молекулы во Вселенной». Texas A&M Today . Получено 29 июня 2023 г.
25. "Hubble Finds Double Einstein Ring". Hubblesite.org . Space Telescope Science Institute . Получено 26.01.2008 .

Журналы

• Кабанак, РА; и др. (2005). «Открытие кольца Эйнштейна с высоким красным смещением». Астрономия и астрофизика . 436 (2): L21–L25. arXiv : astro-ph/0504585 . Bibcode : 2005A&A...436L..21C. doi : 10.1051/0004-6361:200500115. S2CID  15732993.(относится к FOR J0332-3357)
• Чволсон, О (1924). «Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne». Астрономические Нахрихтен . 221 (20): 329–330. Бибкод : 1924AN....221..329C. дои : 10.1002/asna.19242212003.(Первая статья, предлагающая кольца)
• Эйнштейн, Альберт (1936). «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле» (PDF) . Science . 84 (2188): 506–507. Bibcode :1936Sci....84..506E. doi :10.1126/science.84.2188.506. PMID  17769014.^{[ постоянная мертвая ссылка ]} (Знаменитая статья о кольце Эйнштейна)
• Хьюитт, Дж. (1988). «Необычный радиоисточник MG1131+0456 — возможное кольцо Эйнштейна». Nature . 333 (6173): 537–540. Bibcode :1988Natur.333..537H. doi :10.1038/333537a0. S2CID  23277001.
• Ренн, Юрген; Зауэр, Тилман; Стачел, Джон (1997). «Происхождение гравитационного линзирования: постскриптум к научной статье Эйнштейна 1936 года». Science . 275 (5297): 184–186. Bibcode :1997Sci...275..184R. doi :10.1126/science.275.5297.184. PMID  8985006. S2CID  43449111.
• King, L (1998). "Полное инфракрасное кольцо Эйнштейна в системе гравитационной линзы B1938 + 666". MNRAS . 295 (2): L41–L44. arXiv : astro-ph/9710171 . Bibcode :1998MNRAS.295L..41K. doi : 10.1046/j.1365-8711.1998.295241.x . S2CID  15647305.

Новости

• Барбур, Джефф (29.04.2005). "Обнаружено почти идеальное кольцо Эйнштейна". Universe Today . Получено 15.06.2006 .(относится к FOR J0332-3357)
• «Хаббл обнаружил двойное кольцо Эйнштейна». Science Daily. 2008-01-12 . Получено 2008-01-14 .

Дальнейшее чтение

• Kochanek, CS; Keeton, CR; McLeod, BA (2001). «Важность колец Эйнштейна». The Astrophysical Journal . 547 (1): 50–59. arXiv : astro-ph/0006116 . Bibcode : 2001ApJ...547...50K. doi : 10.1086/318350. S2CID  16122139.