Pierścień Einsteina - Einstein ring

Część serii artykułów o
Soczewkowanie grawitacyjne
Pierścień Einsteina Formalizm Silne soczewkowanie Mikrosoczewkowanie Słabe soczewkowanie
Mocne systemy soczewek Abell'a 1689  · Abell'a 2218 CL 0024 + 17  · pocisku klastra QSO2237 + 0305  · SDSS J0946 + 1006 B1359 + 154  · łączności 0957 + 561
Ankiety Silne: CLASS  · SLACS ( SDSS ) Mikro: OGLE  · Gaia Słabe: DLS  · Pan-STARRS  · CFHTLS  · DES  · LSST  · SNAP  · DESTINY
v T mi

Pierścień Einsteina , znany również jako pierścień Einsteina-Chwolsona lub pierścień Chwolsona (nazwany od Oresta Khvolsona ), powstaje, gdy światło z galaktyki lub gwiazdy przechodzi obok masywnego obiektu w drodze na Ziemię. Dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu światło jest rozpraszane, przez co wydaje się pochodzić z różnych miejsc. Jeśli źródło, soczewka i obserwator są idealnie zestrojone, światło pojawia się jako pierścień.

Wstęp

Soczewkowania grawitacyjnego jest przewidział Albert Einstein „s teorii względności . Zamiast światła ze źródła poruszającego się po linii prostej (w trzech wymiarach), jest on zakrzywiany przez obecność masywnego ciała, które zniekształca czasoprzestrzeń . Pierścień Einsteina to szczególny przypadek soczewkowania grawitacyjnego, spowodowany dokładnym ustawieniem źródła, soczewki i obserwatora. Powoduje to symetrię wokół soczewki, powodując strukturę podobną do pierścienia.

Geometria pełnego pierścienia Einsteina spowodowana soczewką grawitacyjną

Wielkość pierścienia Einsteina jest określona przez promień Einsteina . W radianach jest

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

gdzie

${\ Displaystyle G}$jest stałą grawitacyjną ,

${\ Displaystyle M}$ to masa soczewki,

${\displaystyle c}$to prędkość światła ,

${\displaystyle D_{L}}$to odległość średnicy kątowej od soczewki,

${\displaystyle D_{S}}$jest odległością średnicy kątowej od źródła, oraz

${\displaystyle D_{LS}}$to odległość średnicy kątowej między soczewką a źródłem.

Ogólnie rzecz biorąc, nad odległościami kosmologicznymi . ${\ Displaystyle D_ {LS} \ neq D_ {S}-D_ {L}}$

Historia

Soczewkowa grawitacyjnie galaktyka SDP.81 wykonana przez ALMA .

Zagięcie światła przez ciało grawitacyjne przewidział Albert Einstein w 1912 r., kilka lat przed opublikowaniem ogólnej teorii względności w 1916 r. (Renn i in. 1997). Efekt pierścienia został po raz pierwszy wspomniany w literaturze akademickiej przez Oresta Khvolsona w krótkim artykule z 1924 r., W którym wspomniał o „efektu halo” grawitacji, gdy źródło, soczewka i obserwator są w niemal idealnym ustawieniu. Einstein zwrócił uwagę na ten efekt w 1936 r. w pracy pod wpływem listu czeskiego inżyniera RW Mandla [1] , ale stwierdził

Oczywiście nie ma nadziei na bezpośrednie zaobserwowanie tego zjawiska. Po pierwsze, prawie nigdy nie zbliżymy się wystarczająco blisko do takiej linii centralnej. Po drugie, kąt β zaprzeczy zdolności rozdzielczej naszych instrumentów.

—  Science tom 84 s. 506 1936

(W tym stwierdzeniu β jest promieniem Einsteina, obecnie oznaczanym przez jak w powyższym wyrażeniu.) Jednak Einstein rozważał jedynie szansę zaobserwowania pierścieni Einsteina wytwarzanych przez gwiazdy, która jest niska – szansa zaobserwowania tych wytwarzanych przez większe soczewki, takie jak galaktyki lub czarne dziury jest wyższy, ponieważ rozmiar kątowy pierścienia Einsteina rośnie wraz z masą soczewki. ${\displaystyle \theta_{1},}$

Pierwszy kompletny pierścień Einsteina, oznaczony B1938 + 666, została odkryta przez astronomów przy współpracy z University of Manchester i NASA „s Kosmicznego Teleskopu Hubble'a w 1998 roku.

Najwyraźniej nie było żadnych obserwacji gwiazdy tworzącej pierścień Einsteina z inną gwiazdą, ale istnieje 45% szans, że tak się stanie na początku maja 2028 roku, kiedy Alfa Centauri A przejdzie między nami a odległą czerwoną gwiazdą.

Znane pierścienie Einsteina

Zdjęcie gromady galaktyk "Smiley" lub "Cheshire Cat" (SDSS J1038+4849) i soczewkowanie grawitacyjne ("pierścień Einsteina") odkryte przez międzynarodowy zespół naukowców, sfotografowane za pomocą HST .

Obecnie znane są setki soczewek grawitacyjnych. Około pół tuzina z nich to częściowe pierścienie Einsteina o średnicach do sekundy kątowej , chociaż albo rozkład masy soczewek nie jest idealnie osiowo symetryczny , albo źródło, soczewka i obserwator nie są idealnie wyrównane, musimy jeszcze zobaczyć idealny pierścień Einsteina. Większość pierścieni odkryto w zasięgu radiowym. Stopień kompletności potrzebny do zakwalifikowania obrazu widzianego przez soczewkę grawitacyjną jako pierścienia Einsteina nie został jeszcze określony.

Pierwszy pierścień Einsteina został odkryty przez Hewitta i in. (1988), który obserwował źródło radiowe MG1131+0456 przy użyciu Very Large Array . Ta obserwacja ujrzała kwazar soczewkowany przez bliższą galaktykę na dwa oddzielne, ale bardzo podobne obrazy tego samego obiektu, obrazy rozciągnięte wokół soczewki w prawie kompletny pierścień. Te podwójne obrazy są kolejnym możliwym efektem niedopasowania źródła, obiektywu i obserwatora.

Pierwszym odkrytym kompletnym pierścieniem Einsteina był B1938+666 , który został znaleziony przez Kinga i in. (1998) poprzez optyczną obserwację z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a z soczewką grawitacyjną zobrazowaną za pomocą MERLIN . Galaktyka tworząca soczewkę w B1938+666 to starożytna galaktyka eliptyczna , a obraz, który widzimy przez soczewkę, to ciemna karłowata galaktyka satelitarna , której inaczej nie bylibyśmy w stanie zobaczyć przy użyciu obecnej technologii.

W 2005 roku połączona moc Sloan Digital Sky Survey (SDSS) z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a została wykorzystana w przeglądzie Sloan Lens ACS (SLACS), aby znaleźć 19 nowych soczewek grawitacyjnych, z których 8 pokazało pierścienie Einsteina, to jest 8 pokazanych na sąsiednim obrazie. W 2009 roku badanie to wykazało 85 potwierdzonych soczewek grawitacyjnych, ale nie ma jeszcze liczby, która pokazuje pierścienie Einsteina. Ten przegląd jest odpowiedzialny za większość ostatnich odkryć pierścieni Einsteina w zakresie optycznym, poniżej przedstawiono kilka przykładów, które zostały znalezione:

• FOR J0332-3557 , odkryte przez Remi Cabanac et al. w 2005 roku, wyróżniający się wysokim przesunięciem ku czerwieni, co pozwala nam używać go do obserwacji wczesnego Wszechświata .
• „ Kosmiczna Podkowa ” to częściowy pierścień Einsteina, który był obserwowany przez soczewkę grawitacyjną LRG 3-757, wyraźnie dużej Luminous Red Galaxy. Został odkryty w 2007 roku przez V. Belokurov et al.
• SDSSJ0946+1006 , „podwójny pierścień Einsteina” został odkryty przez Raphaela Gavazziego i Tomasso Treu w 2008 roku, godny uwagi ze względu na obecność wielu pierścieni obserwowanych przez tę samą soczewkę grawitacyjną, której znaczenie wyjaśniono w następnej sekcji dotyczącej dodatkowych pierścieni .

Innym przykładem jest pierścień radiowo-rentgenowski Einsteina wokół PKS 1830-211, który jest niezwykle silny w radiu. Został odkryty w promieniowaniu rentgenowskim przez Varsha Gupta i in. w obserwatorium rentgenowskim Chandra Jest to również godne uwagi jako pierwszy przypadek soczewkowania kwazara przez galaktykę spiralną niemal zwróconą do przodu .

Galaxy MG1654+1346 posiada pierścień radiowy. Obraz w pierścieniu jest obrazem kwazarowego płata radiowego , odkrytego w 1989 roku przez G. Langstona i in.

Dodatkowe pierścienie

SDSSJ0946+1006 to podwójny pierścień Einsteina. Źródło : HST / NASA / ESA

Używając Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, Raphael Gavazzi z STScI i Tommaso Treu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara odkryli podwójny pierścień . Powstaje ona ze światła trzech galaktyk w odległościach 3, 6 i 11 miliardów lat świetlnych. Takie pierścienie pomagają w zrozumieniu rozmieszczenia ciemnej materii , ciemnej energii , natury odległych galaktyk i krzywizny wszechświata . Szanse na znalezienie takiego podwójnego pierścienia wokół masywnej galaktyki wynoszą 1 na 10 000. Próbkowanie 50 odpowiednich podwójnych pierścieni zapewniłoby astronomom dokładniejszy pomiar zawartości ciemnej materii we Wszechświecie oraz równanie stanu ciemnej energii z dokładnością do 10 procent.

Symulacja

Poniżej w sekcji Galeria znajduje się symulacja przedstawiająca powiększenie czarnej dziury Schwarzschilda w płaszczyźnie Drogi Mlecznej między nami a centrum galaktyki. Pierwszy pierścień Einsteina jest najbardziej zniekształconym obszarem obrazu i przedstawia dysk galaktyczny . Powiększenie ujawnia następnie serię 4 dodatkowych pierścieni, coraz cieńszych i bliższych cieniowi czarnej dziury. Są to liczne obrazy dysku galaktycznego. Pierwsze i trzecie odpowiadają punktom znajdującym się za czarną dziurą (z pozycji obserwatora) i odpowiadają tutaj jasnożółtemu obszarowi dysku galaktycznego (blisko centrum galaktyki), natomiast drugie i czwarte odpowiadają obrazom obiektów, które są za obserwatorem, który wydaje się bardziej niebieski, ponieważ odpowiednia część dysku galaktycznego jest tutaj cieńsza, a przez to ciemniejsza.

Galeria

• 

  Niektórzy obserwowali pierścienie Einsteina przez SLACS

• 

  Pełne wdzięku łuki wokół SDSSJ0146-0929 są przykładami pierścienia Einsteina

• 

  Symulowany widok czarnej dziury przechodzącej przed galaktyką

• 

  Montaż pierścienia Einsteina SDP.81 i galaktyki soczewkowej

• 

  Einstein pierścienie blisko czarnej dziury

Zobacz też

• Krzyż Einsteina
• Promień Einsteina
• SN Refsdal

Bibliografia

Czasopisma

Aktualności

Dalsza lektura

• Kochanek CS; Keeton, CR; McLeod, BA (2001). „Znaczenie pierścieni Einsteina”. Czasopismo Astrofizyczne . 547 (1): 50–59. arXiv : astro-ph/0006116 . Kod Bibcode : 2001ApJ...547...50K . doi : 10.1086/318350 . S2CID  16122139 .