Гравитациялық линзалаудың Эйнштейн сақинасы

Кіріспе

Айнштейн сақинасы, сондай-ақ Айнштейн-Чвольсон сақинасы немесе Чвольсон сақинасы (Орест Чвольсонның есімімен аталған) – галактикадан немесе жұлдыздан шыққан жарық Жерге келе жатқанда, зор массалы нысанның әсерінен туындайды. Гравитациялық линзалау салдарынан жарық жолы бұрылып, оның әртүрлі жерден келгендей көрінуіне себеп болады. Егер жарық көзі, линза және бақылаушы бір түзуде (сизигия) орналасса, онда жарық сақина түрінде көрінеді.

Кіріспе

Гравитациялық линзалау Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен болжанады. Жарық көзі үш өлшемде түзу сызықпен емес, массивті денелердің болуынан кеңістік-уақыттың бұрмалануына байланысты иіледі. Эйнштейн сақинасы – бұл гравитациялық линзалаудың ерекше жағдайы, ол көздің, линзаның және бақылаушының нақты бір түзуде орналасуынан туындайды. Бұл линзаның айналасында симметрияны қамтамасыз етеді, нәтижесінде сақина тәрізді құрылым пайда болады. Эйнштейн сақинасының мөлшері Эйнштейн радиусымен анықталады. Радиандармен өрнектелгенде, ол былай болады:

мұнда:

G – гравитациялық тұрақты,
M – линзаның массасы,
c – жарық жылдамдығы,
DL – линзаға дейінгі бұрыштық диаметр қашықтығы,
DS – көзға дейінгі бұрыштық диаметр қашықтығы,
DLS – линза мен көз арасындағы бұрыштық диаметр қашықтығы. Космологиялық қашықтықтар үшін, әдетте .

Тарих

Жарықтың гравитациялық денемен иілуі туралы Альберт Эйнштейн 1912 жылы, 1916 жылы жалпы салыстырмалылық теориясы жарияланудан бірнеше жыл бұрын болжаған болатын (Renn et al. 1997 ж.). Сақина тәрізді эффект алғаш рет академиялық әдебиетте 1924 жылы Орест Хволсонның қысқа мақаласында айтылған. Онда ол көз, линза және бақылаушы дерлік толық сәйкес келетін жағдайда гравитацияның "гало эффектісі" туралы мәлімдеген. Эйнштейн бұл эффектіні 1936 жылы чех инженері Р.В. Мандлдің хатына жауап ретінде жазылған мақаласында атап өтті, бірақ былай деді:

«Әрине, бұл құбылысты тікелей байқауға ешқандай үміт жоқ. Біріншіден, біз мұндай орталық сызыққа тым жақын бола алмаймыз. Екіншіден, β бұрышы аспаптарымыздың ажыратымдылығына көнбес.» (Science vol 84 p 506 1936)
(Бұл мәлімдемеде β – Эйнштейн радиусы, қазірде жоғарыдағы өрнектегідей белгіленеді.) Алайда, Эйнштейн жұлдыздардың құратын Эйнштейн сақиналарын байқау мүмкіндігін қарастырды, бұл мүмкіндік төмен – галактикалар немесе қара тесіктер сияқты ірі линзалардың құратын сақиналарды байқау мүмкіндігі жоғары, себебі линзаның массасы артаған сайын Эйнштейн сақинасының бұрыштық өлшемі де артады. Алғашқы толық Эйнштейн сақинасы, B1938+666 деп аталады, 1998 жылы Манчестер университетінің астрономдары мен НАСА-ның Хаббл ғарыш телескобының ынтымақтастығымен ашылды. Жұлдыздардың бірінің Эйнштейн сақинасын құрауы байқалған жоқ, бірақ 2028 жылдың мамыр айының басында Альфа Центавр А алыстағы қызыл жұлдыздың арасынан өтетін кезде бұл оқиғаның болу ықтималдығы 45%-ды құрайды.

Белгілі Эйнштейн сақиналары

Қазіргі уақытта жүздеген гравитациялық линзалар белгілі. Олардың шамамен жартысына жуығы – диаметрі бір доға секундқа дейінгі Айнштейннің жартылай сақиналары, бірақ линзалардың массалық таралуы толық осьтік симметриялық болмағандықтан немесе көз, линза және бақылаушы толыққанды бірқатарға келмегендіктен, біз әлі күнге дейін толық Айнштейн сақинасын көре алмадық. Көптеген сақиналар радио толқындар диапазонында табылды. Гравитациялық линза арқылы көрінетін бейне Айнштейн сақинасы ретінде танылуы үшін қандай толықтық деңгейі қажет екені әлі анықталған жоқ. Эйнштейннің алғашқы сақинасын Хьюит және авторлар (1988) тапты, олар MG1131+0456 радио көзін зерттеді. Бұл зерттеуде квазардың жақын галактиканың әсерінен екі бөлек, бірақ бір-біріне ұқсас бейнеге айналғаны байқалды, бейнелер линзаның айналасында дерлік толық сақинаға айналды. Бұл екі бейне де көз, линза және бақылаушының толыққанды бірқатарға келмеуінің салдары болуы мүмкін. Алғашқы толық Айнштейн сақинасы B1938+666 болды, оны Кинг және авторлар (1998) MERLIN арқылы түсірілген гравитациялық линзаның Хаббл ғарыш телескопымен оптикалық бақылауы арқылы тапты. B1938+666 галактикасындағы линза – ежелгі эллипстік галактика, ал линза арқылы көрінетін бейне – қазіргі технологиямен көре алмайтын қараңғы ергежейлі галактика. 2005 жылы Слоан цифрлық аспан зерттеуінің (SDSS) және Хаббл ғарыш телескопының біріктірілген күші Слоан Линзасы ACS (SLACS) зерттеуінде 19 жаңа гравитациялық линзаны табуға пайдаланылды, олардың 8-і Айнштейн сақиналарын көрсетті, олар көрнекті суретте көрсетілген. 2009 жылға қарай бұл зерттеу 85 расталған гравитациялық линзаны тапты, бірақ Айнштейн сақиналарын қаншасы көрсеткені туралы нақты сан әлі белгілі емес. Бұл зерттеу оптикалық диапазондағы Айнштейн сақиналарының соңғы ашылуларының көп бөлігіне жауапты, төменде табылған мысалдар келтірілген: FOR J0332 3557, 2005 жылы Реми Кабанак және авторлар тапқан, оның жоғары қызыл ығылуы ерте ғалам туралы байқаулар жасауға мүмкіндік береді. "Космикалық жылқының еті" – LRG 3 757 галактикасының гравитациялық линзасы арқылы байқалған Айнштейннің жартылай сақинасы, бұл ерекше үлкен жарқыраған қызыл галактика. Оны 2007 жылы В. Белокуров және авторлар тапты. SDSSJ0946+1006, "қос Айнштейн сақинасы" 2008 жылы Рафаэль Гавацци және Томассо Треу тапты, бұл бір гравитациялық линза арқылы байқалған бірнеше сақиналардың болуымен ерекшеленеді, олардың маңызы келесі бөлімде түсіндіріледі. Тағы бір мысал – PKS 1830 211 айналасындағы радио/Х-сәулелі Айнштейн сақинасы, ол радиода ерекше күшті. Оны рентген сәулелері арқылы Варша Гупта және авторлар анықтады. Бұл квазардың спиральді галактиканың бетіне орналасқан линзамен шоғырланған алғашқы жағдайы. Galaxy MG1654+1346 радио сақинасына ие. Сақинадағы бейне 1989 жылы Г. Лэнгстон және авторлар тапқан квазардың радио бөлігін көрсетеді. 2023 жылдың маусым айында Джастин Спилкер басқарыған астрономдар тобы органикалық молекулаларға (ароматты көмірсутектерге) бай алыс галактиканың Айнштейн сақинасын тапқандарын жариялады.

Hundreds of gravitational lenses are currently known. About half a dozen of them are partial Einstein rings with diameters up to an arcsecond, although as either the mass distribution of the lenses is not perfectly axially symmetrical, or the source, lens, and observer are not perfectly aligned, we have yet to see a perfect Einstein ring. Most rings have been discovered in the radio range. The degree of completeness needed for an image seen through a gravitational lens to qualify as an Einstein ring is yet to be defined. The first Einstein ring was discovered by Hewitt et al. (1988), who observed the radio source MG1131+0456 using the Very Large Array. This observation saw a quasar lensed by a nearer galaxy into two separate but very similar images of the same object, the images stretched round the lens into an almost complete ring. These dual images are another possible effect of the source, lens, and observer not being perfectly aligned. The first complete Einstein ring to be discovered was B1938+666, which was found by King et al. (1998) via optical follow up with the Hubble Space Telescope of a gravitational lens imaged with MERLIN. The galaxy causing the lens at B1938+666 is an ancient elliptical galaxy, and the image we see through the lens is a dark dwarf satellite galaxy, which we would otherwise not be able to see with current technology. In 2005, the combined power of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) with the Hubble Space Telescope was used in the Sloan Lens ACS (SLACS) Survey to find 19 new gravitational lenses, 8 of which showed Einstein rings, these are the 8 shown in the adjacent image. As of 2009, this survey has found 85 confirmed gravitational lenses but there is not yet a number for how many show Einstein rings. This survey is responsible for most of the recent discoveries of Einstein rings in the optical range, following are some examples which were found:

FOR J0332 3557, discovered by Remi Cabanac et al. in 2005, notable for its high redshift which allows us to use it to make observations about the early universe. The "Cosmic Horseshoe" is a partial Einstein ring which was observed through the gravitational lens of LRG 3 757, a distinctively large Luminous Red Galaxy. It was discovered in 2007 by V. Belokurov et al. SDSSJ0946+1006, the "double Einstein ring" was discovered by Raphael Gavazzi and Tomasso Treu in 2008, notable for the presence of multiple rings observed through the same gravitational lens, the significance of which is explained in the next section on extra rings. Another example is the radio/X Ray Einstein ring around PKS 1830 211, which is unusually strong in radio. It was discovered in X Ray by Varsha Gupta et al. at the Chandra X Ray observatory It is also notable for being the first case of a quasar being lensed by an almost face on spiral galaxy. Galaxy MG1654+1346 features a radio ring. The image in the ring is that of a quasar radio lobe, discovered in 1989 by G. Langston et al. In June 2023, a team of astronomers led by Justin Spilker announced their discovery of an Einstein ring of distant galaxy rich in organic molecules (aromatic hydrocarbons).

Қосымша сақиналар

Хаббл ғарыш телескобын пайдаланып, STScI-дің Рафаэль Гавацци және Санта-Барбарадағы Калифорния университетінің Томассо Треу қос сақинаны анықтады. Бұл 3, 6 және 11 миллиард жарық жылы қашықтықтағы үш галактикадан шағылысқан жарықтан пайда болған. Мұндай сақиналар қара материяның, қара энергияның таралуын, алыс галактикалардың сипатын және ғаламның қисықтығын түсінуге көмектеседі. Массивті галактиканың айнаында мұндай қос сақинаны кездестіру ықтималдығы 10 000-нан 1-ге тең. 50 лайықты қос сақинаны зерттеу астрономдарға ғаламның қара материя құрамын және қара энергияның күй теңдеуін 10% дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді.

Эмоция

Төмендегі галерея бөлімінде біз бен галактика орталығы арасындағы Құс жолының жазықтығында орналасқан Шварцшильд қара тесігіне жақындауды бейнелейтін симуляция көрсетілген. Бірінші Эйнштейн сақинасы – суреттің ең бұрмаланған бөлігі және галактикалық дискіні көрсетеді. Жақындау (зум) арқылы қара тесік көлеңкесіне қарай қалыңдығы азайып, жақындаған 4 қосымша сақина көрінеді. Бұл галактикалық дискінің бірнеше бейнесі. Бірінші және үшінші сақиналар қара тесіктің артында (көзқарастан алғанда) орналасқан нүктелерге сәйкес келеді және галактикалық дискінің ашық сары аймағын (галактикалық орталыққа жақын) көрсетеді, ал екінші және төртінші сақиналар көзқарас артындағы нысандардың бейнелеріне сәйкес келеді, олар көк түсті болып көрінеді, себебі галактикалық дискінің осы бөлігі жұқарақ және сондықтан әлсіз жарық береді.