Gravitacijska leča je porazdelitev snovi (na primer kopica galaksij) med oddaljenim svetlobnim virom, ki je sposoben upogibati sevanje satelita, ki gre proti gledalcu in opazovalcu. Ta učinek je znan kot gravitacijske leče, količina upogibanja pa je ena od napovedi Alberta Einsteina v splošni teoriji relativnosti. Klasična fizika govori tudi o upogibanju svetlobe, a to je le polovica tega, o čemer govori splošna relativnost.
ustvarjalec
Čeprav je Einstein naredil neobjavljene izračune na to temo leta 1912, se na splošno šteje, da sta Orest Chwolson (1924) in František Link (1936) prva, ki je artikulirala učinek gravitacijske leče. Vendar je še vedno pogosteje povezan z Einsteinom, ki je leta 1936 objavil članek.
Potrditev teorije
Fritz Zwicky je leta 1937 predlagal, da bi ta učinek lahko omogočil, da kopice galaksij delujejo kot gravitacijska leča. Šele leta 1979 je ta pojav potrdilo opazovanje kvazarja Twin QSO SBS 0957 + 561.
Opis
Za razliko od optičnih leč, gravitacijska leča ustvari največji odklon svetlobe, ki gre najbližje njenemu središču. In minimalno tistega, ki sega dalje. Zato gravitacijska leča nima ene same goriščne točke, ima pa črto. Ta izraz v kontekstu odklona svetlobe je prvi uporabil O. J. Lodge. Opozoril je, da je "nesprejemljivo reči, da gravitacijska leča sonca deluje na ta način, saj zvezda nima goriščne razdalje."
Če vir, masivni predmet in opazovalec ležijo v ravni črti, se bo izvorna svetloba pojavila kot obroč okoli snovi. Če obstaja kakšen odmik, je namesto tega viden samo segment. To gravitacijsko lečo je leta 1924 v Sankt Peterburgu prvič omenil fizik Orest Khvolson, kvantitativno pa jo je leta 1936 izdelal Albert Einstein. Na splošno se v literaturi imenujejo Albertovi prstani, saj se prvi ni ukvarjal s pretokom ali polmerom slike.
Najpogosteje, ko je masa leče kompleksna (kot je skupina galaksij ali kopica) in ne povzroča sferičnega popačenja prostor-časa, bo vir podobendelni loki, razpršeni okoli leče. Opazovalec lahko nato vidi več slik spremenjene velikosti istega predmeta. Njihovo število in oblika sta odvisna od relativne lege, pa tudi od simulacije gravitacijskih leč.
trije razredi
1. Močna leča.
Kjer so lahko vidna popačenja, kot so tvorba Einsteinovih prstanov, lokov in več slik.
2. Šibka leča.
Kjer je sprememba virov ozadja veliko manjša in jo je mogoče zaznati le s statistično analizo velikega števila predmetov, da bi našli le nekaj odstotkov koherentnih podatkov. Objektiv statistično prikazuje, kako je prednostno raztezanje materialov ozadja pravokotno na smer proti središču. Z merjenjem oblike in orientacije velikega števila oddaljenih galaksij je mogoče njihovo povprečje določiti za merjenje premika polja leče v kateri koli regiji. To pa je mogoče uporabiti za rekonstrukcijo porazdelitve mase: zlasti je mogoče rekonstruirati ločitev ozadja temne snovi. Ker so galaksije same po sebi eliptične in je šibek signal gravitacijske leče majhen, je treba v teh študijah uporabiti zelo veliko število galaksij. Šibki podatki o objektivih se morajo skrbno izogibati številnim pomembnim virom pristranskosti: notranji obliki, nagnjenosti funkcije širjenja točke fotoaparata k popačenju in zmožnosti atmosferskega vida, da spremeni slike.
Rezultati tehštudije so pomembne za ocenjevanje gravitacijskih leč v vesolju, da bi bolje razumeli in izboljšali model Lambda-CDM ter zagotovili preverjanje doslednosti drugih opazovanj. Prav tako lahko predstavljajo pomembno prihodnjo omejitev temne energije.
3. Microlensing.
Kjer v obliki ni vidno popačenje, vendar se količina svetlobe, ki jo prejme predmet ozadja, sčasoma spreminja. Objekt leče so lahko zvezde v Rimski cesti, vir ozadja pa kroglice v oddaljeni galaksiji ali v drugem primeru še bolj oddaljen kvazar. Učinek je majhen, tako da bi celo galaksija z maso, ki je več kot 100 milijard-krat večja od Sončeve, ustvarila več slik, ločenih le v nekaj ločnih sekundah. Galaktične kopice lahko ustvarijo ločitve minut. V obeh primerih so viri precej oddaljeni, veliko sto megaparsekov iz našega vesolja.
Časovne zamude
Gravitacijske leče delujejo enako na vse vrste elektromagnetnega sevanja, ne le na vidno svetlobo. Šibki učinki se preučujejo tako za kozmično mikrovalovno ozadje kot za galaktične študije. Močne leče so opazili tudi v radijskem in rentgenskem načinu. Če tak objekt ustvari več slik, bo med obema potoma relativna časovna zamuda. To pomeni, da bo na enem objektivu opis opazen prej kot na drugi.
Tri vrste predmetov
1. Zvezde, ostanki, rjavi palčki inplaneti.
Ko predmet v Rimski cesti preide med Zemljo in oddaljeno zvezdo, se bo osredotočil in okrepil svetlobo ozadja. Več tovrstnih dogodkov je bilo opaženih v Velikem Magellanovem oblaku, majhnem vesolju blizu Rimske ceste.
2. Galaksije.
Masivni planeti lahko delujejo tudi kot gravitacijske leče. Svetloba iz vira za vesoljem se upogne in osredotoči, da ustvari slike.
3. Galaktične kopice.
Masiven predmet lahko ustvari podobe oddaljenega predmeta, ki leži za njim, običajno v obliki raztegnjenih lokov - sektorja Einsteinovega obroča. Grozdne gravitacijske leče omogočajo opazovanje svetil, ki so predaleč ali prešibke, da bi jih bilo mogoče videti. In ker pogled na velike razdalje pomeni pogled v preteklost, ima človeštvo dostop do informacij o zgodnjem vesolju.
Sončne gravitacijske leče
Albert Einstein je leta 1936 napovedal, da se bodo žarki svetlobe v isti smeri kot robovi glavne zvezde približali žarišču pri približno 542 AU. Sonda, ki je oddaljena (ali več) od Sonca, jo lahko torej uporabi kot gravitacijsko lečo za povečanje oddaljenih predmetov na nasprotni strani. Lokacijo sonde lahko po potrebi premaknete za izbiro različnih ciljev.
Drake Probe
Ta razdalja je daleč od napredka in zmogljivosti opreme za vesoljsko sondo, kot je Voyager 1, in onkraj znanih planetov, čeprav že tisočletjaSedna se bo premaknila naprej po svoji zelo eliptični orbiti. Visok dobiček za potencialno zaznavanje signalov skozi to lečo, kot so mikrovalovne pečice na 21-centimetrski vodikovi liniji, je Frank Drake v prvih dneh SETI ugibal, da bi lahko sondo poslali tako daleč. Večnamenski SETISAIL in pozneje FOCAL je predlagala ESA leta 1993.
Toda po pričakovanjih je to težka naloga. Če sonda preide 542 AU, bodo zmožnosti povečave objektiva še naprej delovale na daljših razdaljah, saj žarki, ki pridejo v fokus na večjih razdaljah, potujejo dlje od popačenja sončne korone. Kritiko tega koncepta je podal Landis, ki je razpravljal o vprašanjih, kot so motnje, velika povečava cilja, ki bi otežila načrtovanje goriščne ravnine misije, in analiza lastne sferične aberacije leče..
