Дуги и кольца в гравитационном линзировании: Крест Эйнштейна и другие явления

Гравитационное линзирование – это эффект искривления света массивными объектами (галактиками, скоплениями галактик, чёрными дырами), предсказанный Общей теорией относительности Эйнштейна. В зависимости от геометрии системы, этот эффект может создавать различные формы искажённых изображений, включая дуги, кольца и множественные изображения, такие как Крест Эйнштейна.

Крест Эйнштейна (Einstein Cross)

Пример: Квазар Q2237+030 (в созвездии Пегаса), линзированный галактикой Huchra’s Lens (z ≈ 0,04).

Особенности:

Квазар (удалённый активный галактический центр) находится за галактикой-линзой.

Из-за почти идеального совмещения источника, линзы и наблюдателя свет квазара разделяется на четыре изображения, расположенные в форме креста вокруг центра галактики.

Пятое (центральное) изображение обычно слишком слабое для наблюдения.

*Крест Эйнштейна (Q2237+030), снятый телескопом Hubble.*

Физика явления:

Гравитационное поле галактики действует как выпуклая линза, создавая несколько путей для лучей света.

Если источник, линза и наблюдатель выстроены почти на одной линии, возникает кольцо Эйнштейна (см. ниже). В случае небольшого смещения – несколько отдельных изображений (как в Кресте).

Кольцо Эйнштейна (Einstein Ring)

Когда источник света, линза и наблюдатель выстроены идеально на одной линии, изображение искажается в полное кольцо.

Пример:

LRG 3-757 («Кольцо Эйнштейна» в созвездии Льва, обнаруженное Hubble).

Радиоисточник MG1131+0456 (первое обнаруженное кольцо).

*Кольцо Эйнштейна (LRG 3-757), снято Hubble.*

Особенности:

Полное кольцо образуется, когда линза (галактика или скопление) имеет осесимметричное распределение массы.

Если источник смещён, кольцо становится частичным (дугой).

Гравитационные дуги (Giant Arcs)

В скоплениях галактик (например, Abell 370, SDSS J1226+2152) можно наблюдать длинные светящиеся дуги – это сильно искажённые изображения далёких галактик.

Пример:

"Дракон" в скоплении Abell 370 – несколько дуг, соответствующих одной фоновой галактике.

Гравитационные дуги в скоплении Abell 370 (Hubble).

Физика дуг:

Дуги возникают, когда линза несимметрична (например, скопление галактик имеет сложное распределение массы).

Чем больше масса линзы, тем сильнее искажение.

Практическое значение

Гравитационное линзирование позволяет:

Изучать тёмную материю (по распределению массы линзы).

Наблюдать очень далёкие галактики, которые иначе были бы не видны.

Измерять постоянную Хаббла (по задержкам между изображениями, как в Кресте Эйнштейна).

Вывод

Дуги, кольца и множественные изображения – это разные проявления одного и того же явления: искривления пространства-времени массивными объектами. Они помогают астрономам исследовать Вселенную на самых больших масштабах.

Глава 3. Слабые гравитационные искажения (Weak Gravitational Lensing)

Слабые гравитационные искажения (weak lensing) – это эффект, при котором свет от далеких галактик искажается под действием гравитационного поля массивных объектов (таких как скопления галактик, темная материя или крупномасштабная структура Вселенной). В отличие от сильного линзирования, которое создает явные дуги и множественные изображения, слабое линзирование вызывает лишь небольшие (∼1%) искажения форм галактик, которые можно обнаружить только статистически, анализируя огромное количество объектов.

Физическая основа слабого линзирования

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация искривляет пространство-время, что приводит к отклонению световых лучей. Если между наблюдателем и далекой галактикой находится массивный объект (например, скопление темной материи), то: