Кольцо Эйнштейна: гравитационное линзирование света

Введение

Особенность, наблюдаемая при гравитационном линзировании света объектом.

Кольцо Эйнштейна, также известное как кольцо Эйнштейна — Чвольсона или кольцо Чвольсона (названное в честь Ореста Чвольсона), образуется, когда свет от галактики или звезды проходит вблизи массивного объекта на пути к Земле. Вследствие гравитационного линзирования свет отклоняется, создавая впечатление, что он исходит из разных направлений. Если источник, линза и наблюдатель находятся в идеальном выравнивании (сизигии), свет проявляется в виде кольца.

Введение

Гравитационное линзирование предсказано теорией относительности Альберта Эйнштейна. Вместо того чтобы свет от источника распространялся по прямой линии (в трех измерениях), он отклоняется присутствием массивного тела, искажающего пространство-время. Кольцо Эйнштейна — это частный случай гравитационного линзирования, возникающий при точном выравнивании источника, линзы и наблюдателя. Это приводит к симметрии относительно линзы, формируя кольцеобразную структуру. Размер кольца Эйнштейна определяется радиусом Эйнштейна. В радианах он выражается как:

где:

G — гравитационная постоянная,
M — масса линзы,
c — скорость света,
DL — расстояние углового диаметра до линзы,
DS — расстояние углового диаметра до источника, и
DLS — расстояние углового диаметра между линзой и источником. На космологических расстояниях, как правило, выполняется условие DLS ≈ DS.

История

Сгибание света гравитационным телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Renn et al. 1997). Первое упоминание об эффекте кольца в научной литературе было сделано Орестом Хвольсоном в короткой статье в 1924 году, в которой он упомянул о "гало-эффекте" гравитации, возникающем при почти идеальном выравнивании источника, линзы и наблюдателя. Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, написанной в ответ на письмо чешского инженера Р. В. Мандля, но заявил:

"Конечно, нет никакой надежды наблюдать это явление напрямую. Во-первых, мы едва ли когда-либо подойдем достаточно близко к такой центральной линии. Во-вторых, угол β окажется за пределами предельного разрешения наших приборов." | Science, том 84, стр. 506, 1936.
(В этом высказывании β – радиус Эйнштейна, который в настоящее время обозначается как в приведенном выше выражении.) Однако Эйнштейн рассматривал лишь вероятность наблюдения колец Эйнштейна, создаваемых звездами, которая невелика – вероятность наблюдения колец, создаваемых более массивными линзами, такими как галактики или черные дыры, выше, поскольку угловой размер кольца Эйнштейна увеличивается с массой линзы. Первое полное кольцо Эйнштейна, обозначенное как B1938+666, было обнаружено в 1998 году в результате сотрудничества астрономов из Манчестерского университета и космического телескопа НАСА «Хаббл». Наблюдений звезды, формирующей кольцо Эйнштейна с другой звездой, пока не зафиксировано, но существует 45% вероятность того, что это произойдет в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра А пройдет между нами и далекой красной звездой.

Известные кольца Эйнштейна

В настоящее время известно сотни гравитационных линз. Около полудюжины из них являются частичными кольцами Эйнштейна диаметром до одной дуговой секунды, однако, поскольку распределение массы линз не является идеально осесимметричным, или источник, линза и наблюдатель не выровнены идеально, нам еще не довелось увидеть идеальное кольцо Эйнштейна. Большинство колец были обнаружены в радиодиапазоне. Степень завершенности, необходимая для того, чтобы изображение, увиденное через гравитационную линзу, квалифицировалось как кольцо Эйнштейна, пока не определена. Первое кольцо Эйнштейна было обнаружено Хьюиттом и др. (1988), которые наблюдали радиоисточник MG1131+0456 с помощью Very Large Array. Наблюдение показало, что квазар, линзируемый более близкой галактикой, разделился на два отдельных, но очень похожих изображения одного и того же объекта, растянутых вокруг линзы в почти полное кольцо. Эти двойные изображения – еще один возможный эффект неидеального выравнивания источника, линзы и наблюдателя. Первым полным кольцом Эйнштейна, которое было обнаружено, был B1938+666, найденный Кингом и др. (1998) с помощью оптического наблюдения с космического телескопа Хаббл гравитационной линзы, полученной с помощью MERLIN. Галактика, вызывающая линзирование в B1938+666, является древней эллиптической галактикой, а изображение, которое мы видим через линзу, – это тусклая карликовая спутниковая галактика, которую мы не смогли бы увидеть с помощью современных технологий. В 2005 году объединенная мощность Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и космического телескопа Хаббл была использована в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS) для обнаружения 19 новых гравитационных линз, 8 из которых показали кольца Эйнштейна – это те 8 изображений, представленных на соседнем рисунке. По состоянию на 2009 год в рамках этого обзора было обнаружено 85 подтвержденных гравитационных линз, однако количество показывающих кольца Эйнштейна пока не установлено. Этот обзор отвечает за большинство недавних открытий колец Эйнштейна в оптическом диапазоне. Ниже приведены некоторые примеры обнаруженных колец: FOR J0332 3557, обнаруженный Remi Cabanac и др. в 2005 году, примечателен своим высоким красным смещением, позволяющим использовать его для наблюдений ранней Вселенной. "Космическая подкова" – частичное кольцо Эйнштейна, наблюдавшееся через гравитационную линзу LRG 3 757, особо крупной и яркой красной галактики. Оно было обнаружено в 2007 году V. Belokurov и др. SDSSJ0946+1006, "двойное кольцо Эйнштейна", было обнаружено Raphael Gavazzi и Tomasso Treu в 2008 году и примечательно наличием нескольких колец, наблюдаемых через одну и ту же гравитационную линзу, значимость которых объясняется в следующем разделе о дополнительных кольцах. Другим примером является радио/рентгеновское кольцо Эйнштейна вокруг PKS 1830 211, которое необычно сильно в радиодиапазоне. Оно было обнаружено в рентгеновском диапазоне Varsha Gupta и др. на рентгеновской обсерватории Chandra. Также примечательно, что это первый случай линзирования квазара почти плоской спиральной галактикой. Галактика MG1654+1346 имеет радиокольцо. Изображение в кольце – это радиолепесток квазара, обнаруженный в 1989 году G. Langston и др. В июне 2023 года команда астрономов во главе с Justin Spilker объявила об открытии кольца Эйнштейна в далекой галактике, богатой органическими молекулами (ароматическими углеводородами).

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).

Дополнительные кольца

Используя космический телескоп Хаббл, Рафаэль Гавацци из STScI и Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили двойное кольцо. Оно образовалось благодаря свету от трех галактик, находящихся на расстояниях 3, 6 и 11 миллиардов световых лет. Такие кольца помогают в понимании распределения темной материи, темной энергии, природы далеких галактик и кривизны Вселенной. Вероятность обнаружения такого двойного кольца вокруг массивной галактики составляет 1 к 10 000. Исследование 50 подходящих двойных колец позволит астрономам более точно измерить содержание темной материи во Вселенной и уравнение состояния темной энергии с точностью до 10 процентов.

Симуляция

Ниже, в разделе «Галерея», представлена симуляция, демонстрирующая приближение к чёрной дыре Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром галактики. Первое кольцо Эйнштейна – наиболее искажённая область изображения, отображающая галактический диск. При дальнейшем приближении проявляется серия из четырёх дополнительных колец, постепенно уменьшающихся в толщине и приближающихся к тени чёрной дыры. Это множественные изображения галактического диска. Первое и третье кольца соответствуют областям, находящимся за чёрной дырой (относительно позиции наблюдателя), и соответствуют здесь ярко-жёлтой области галактического диска (вблизи галактического центра), в то время как второе и четвёртое кольца соответствуют изображениям объектов, находящихся за наблюдателем, которые выглядят более голубыми, поскольку соответствующая часть галактического диска здесь тоньше и, следовательно, менее яркая.