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 — угол 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 в противном случае 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 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 о дополнительных кольцах .

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 от 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 2012-02-08 .
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 по Хабблу и Слоану». 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.