Кольцо Эйнштейна

Особенность, наблюдаемая при гравитационном линзировании света объектом

Кольцо Эйнштейна, также известное как кольцо Эйнштейна – Хвольсона или кольцо Чвольсона, создается, когда свет от галактики или звезды проходит мимо массивного объекта по пути на Землю. Из-за гравитационного линзирования свет отклоняется, и кажется, что он исходит из разных мест. Если источник, линза и наблюдатель выровнены, свет выглядит как кольцо.

• 1 Введение
• 2 История
  • 2.1 Известные кольца Эйнштейна
• 3 Дополнительные кольца
  • 3.1 Моделирование
• 4 Галерея
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
  • 6.1 Журналы
  • 6.2 Новости
• 7 Дополнительная литература

Гравитационное линзирование предсказывается теорией Альберта Эйнштейна из общей теории относительности. Вместо света от источника, движущегося по прямой линии (в трех измерениях), он искажается наличием массивного тела, которое искажает пространство-время. Кольцо Эйнштейна - это особый случай гравитационного линзирования, вызванный точным совмещением источника, линзы и наблюдателя. Это приводит к симметрии вокруг линзы, вызывая кольцевую структуру.

Геометрия полного кольца Эйнштейна, вызванная гравитационной линзой

Размер кольца Эйнштейна определяется как Радиус Эйнштейна. В радианах это

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

где

$G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\}$- это гравитационная постоянная,

$M\; \{\backslash \; displaystyle\; M\}$- масса линзы,

$c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\}$- скорость света,

$DL\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{L\}\}$- это расстояние по угловому диаметру до линзы,

$DS\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{S\}\}$- расстояние по угловому диаметру до источника, а

$DLS\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{LS\}\}$- расстояние по угловому диаметру между линзой и источником.

На космологических расстояниях $DLS\; \ne \; DS\; -\; DL\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{LS\}\; \backslash \; neq\; D\_\; \{S\}\; -D\_\; \{L\}\}$в целом.

Гравитационно-линзированная галактика SDP.81, сделанная ALMA.

Искривление света гравитационным телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, через несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Renn et al. 1997). Эффект кольца 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 состоянии. выравнивание. Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, вызванной письмом чешского инженера Р. В. Мандла [1], но заявил,

Конечно, нет никакой надежды на непосредственное наблюдение этого явления. Во-первых, мы вряд ли когда-нибудь подойдем достаточно близко к такой центральной линии. Во-вторых, угол β будет игнорировать разрешающую способность наших инструментов.

— Science vol 84 p 506 1936

(В этом утверждении β - это радиус Эйнштейна, в настоящее время обозначаемый $\theta \; 1,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\; \_\; \{1\},\}$, как в приведенном выше выражении.) Однако Эйнштейн рассматривал только возможность наблюдения колец Эйнштейна, образованных звездами, что невелико - вероятность наблюдения колец, созданных более крупными линзами, такими как галактики или черные дыры выше, поскольку угловой размер кольца Эйнштейна увеличивается с массой линзы.

Первое полное кольцо Эйнштейна, обозначенное B1938 + 666, было обнаружено в результате сотрудничества астрономов из Манчестерского университета и космического телескопа Хаббла НАСА. в 1998 году.

По-видимому, не было никаких наблюдений звезды, образующей кольцо Эйнштейна с другой звездой, но существует 45% -ная вероятность того, что это произойдет в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавр А проходит между нами и далекой красной звездой.

Известные кольца Эйнштейна

Изображение «Смайлика» или «Чеширского кота» скопления галактик (SDSS J1038 + 4849) и гравитационное линзирование («кольцо Эйнштейна»), обнаруженное международной группой ученых, снятое с помощью HST.

В настоящее время известны сотни гравитационных линз. Около полдюжины из них представляют собой частичные кольца Эйнштейна с диаметром до угловой секунды, хотя либо массовое распределение линз не идеально осесимметрично, 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, наблюдаемое через гравитационную линзу, считалось кольцом Эйнштейна, еще предстоит определить.

Первое кольцо Эйнштейна было открыто Хьюиттом и др. (1988), которые наблюдали радиоисточник с помощью Very Large Array. Это наблюдение позволило увидеть квазар, линзированный более близкой галактикой, на два отдельных, но очень похожих изображения одного и того же объекта, изображения растянуты вокруг линзы в почти полное кольцо. Эти двойные изображения - еще один возможный эффект несовпадения источника, линзы и наблюдателя.

Первое полное кольцо Эйнштейна, которое было обнаружено, было обнаружено Кингом и др. (1998) посредством оптического наблюдения с помощью космического телескопа Хаббла гравитационной линзы, полученной с помощью MERLIN. Галактика, образующая линзу в B1938 + 666, является древней эллиптической галактикой, а изображение, которое мы видим через линзу, представляет собой темный карлик галактику-спутник, которую мы в противном случае невозможно было бы видеть с помощью современных технологий.

В 2005 году объединенная мощность Sloan Digital Sky Survey (SDSS) с космическим телескопом Хаббла использовалась в ACS Sloan Lens. (SLACS) Обследуйте, чтобы найти 19 новых гравитационных линз, 8 из которых показали кольца Эйнштейна, эти 8 показаны на соседнем изображении. По состоянию на 2009 год в ходе этого обзора было обнаружено 85 подтвержденных гравитационных линз, еще не известно, сколько показывает кольца Эйнштейна. Этот обзор ответственен за большинство недавних открытий колец Эйнштейна в оптическом диапазоне, ниже приведены некоторые примеры, которые были обнаружены:

• , обнаруженный Реми Кабанак и др. в 2005 г., примечательна своим высоким красным смещением, что позволяет нам использовать его для наблюдений за ранней Вселенной.
• "Космическая подкова " - это частичное кольцо Эйнштейна, которое наблюдалась через гравитационную линзу LRG 3-757, очень большой светящейся красной галактики. Оно было открыто в 2007 г. В. Белокуровым и др.
• SDSSJ0946 + 1006, «двойное кольцо Эйнштейна» было обнаружено Рафаэлем Гавацци и Томассо Треу в 2008 г., примечательно наличием множества колец, наблюдаемых через одно и то же гравитационная линза, значение которой объясняется в следующем разделе, посвященном дополнительным кольцам.

Другой пример - радио / рентгеновское кольцо Эйнштейна вокруг PKS 1830-211, которое необычайно сильное для радио. Это было обнаружено на рентгеновском снимке Варша Гупта и др. в рентгеновской обсерватории Чандра. Он также примечателен тем, что это первый случай линзирования квазара через почти обращенную лицом спиральную галактику.

. Также есть радиокольцо вокруг галактики MG1654 + 1346, изображение в кольцо - это кольцо квазара радиодоля, открытого в 1989 году Дж. Лангстоном и др.

SDSSJ0946 + 1006 - двойное кольцо Эйнштейна. Авторы и права: HST / NASA / ESA

Используя космический телескоп Хаббл, Рафаэль Гавацци из STScI и Томмазо Треу из Калифорнийского университета, Санта-Барбара. Это происходит из-за света трех галактик на расстояниях 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 - 1 к 10 000. Выборка 50 подходящих двойных колец предоставила бы астрономам более точное измерение содержания темной материи во Вселенной и уравнения состояния темной энергии с точностью до 10 процентов.

Моделирование

Ниже в разделе «Галерея» представлена ​​симуляция, изображающая увеличение черной дыры Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром галактики. Первое кольцо Эйнштейна находится в наиболее искаженной области изображения и показывает галактический диск. Затем увеличение показывает серию из 4 дополнительных колец, которые становятся все тоньше и ближе к тени черной дыры. Это множественные изображения галактического диска. Первая и третья соответствуют точкам, которые находятся за черной дырой (с точки зрения наблюдателя) и соответствуют здесь ярко-желтой области галактического диска (близко к центру галактики), тогда как вторая и четвертая соответствуют изображениям объектов, которые находятся позади наблюдателя, которые кажутся более синими, поскольку соответствующая часть галактического диска тоньше и, следовательно, здесь более тусклая.

• 

  Некоторые наблюдали кольца Эйнштейна с помощью SLACS

• 

  Изящные дуги вокруг SDSSJ0146-0929 являются примерами кольца Эйнштейна

• 

  Смоделированный вид черной дыры, проходящей перед галактикой

• 

  Монтаж кольца Эйнштейна SDP.81 и линзовой галактики

• 

  Кольца Эйнштейна рядом с черной дырой

Викискладе есть материалы, связанные с кольцами Эйнштейна.

• Крестом Эйнштейна
• Радиус Эйнштейна
• С. Н. Рефсдал

Журналы

Новости

• Kochanek, CS; Китон, К. Р.; МакЛеод, Б.А. (2001). «Важность колец Эйнштейна». Астрофизический журнал. 547 (1): 50–59. arXiv : astro-ph / 0006116. Bibcode : 2001ApJ... 547... 50K. doi :10.1086/318350.