Soczewkowanie grawitacyjne

Transkrypt

1 Soczewkowanie grawitacyjne T.Lesiak Evalyn Gates Einstein s telescope

2 Zamiast wstępu Miraże optyczne a soczewki grawitacyjnene Wskutek odbicia światła od powierzchni wody oraz jego załamania, obserwator widzi dwa obrazy drzewa: rzeczywisty (A) i miraż (A ) Masywny obiekt (galaktyka G), umieszczony między obserwatorem i źródłem (A), odchyla, deformuje i zwielokrotnia obrazy źródła. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 2

3 Zamiast wstępu Odkształcenia struktury przestrzeni działają jak grawitacyjne soczewki, które zmieniają kierunek biegu światła, w taki sam sposób jak mniej egzotyczne soczewki wykonane ze szkła lub plastiku Evalyn Gates Tak jak obrazowanie metodami rezonansu magnetycznego, PET, itp. umożliwiło lekarzom oglądanie wnętrza ciała ludzkiego w sposób, który był nie do pomyślenia jeszcze 100 lat temu tak soczewki grawitacyjne, wynikające z ogólnej teorii względności dają astronomom nowe możliwości oglądania wszechświata. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 3

4 Klasyczny test OTW: zakrzywienie światła w pobliżu Słońca Przewidywanie, iż światło gwiazd ulega zakrzywieniu w pobliżu Słońca to ostatnie działa jak soczewka grawitacyjna T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 4

5 Klasyczny test OTW: zakrzywienie światła w pobliżu Słońca Przy obecności Słońca, pozycja odległej gwiazdy wydaje się odsuwać od swego rzeczywistego położenia. Gravity does not `pull. Rather, space pushes Michio Kaku Grawitacja nie przyciąga, to raczej przestrzeń odpycha. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 5

6 Klasyczny test OTW: zakrzywienie światła w pobliżu Słońca Gwiazda obserwowana w pobliżu tarczy słonecznej powinna być przesunięta względem swojego normalnego położenia na niebie. Obserwacje gwiazd w pobliżu tarczy słonecznej możliwe jedynie podczas zaćmień. Trzy (historycznie ważne) ekspedycje mające na celu obserwacje zaćmień Słońca: 1. Erwin Freundlich (Krym, sierpień 1914 r.) obserwacje przerwane wybuchem wojny i niewolą uczestników; wielkie szczęście dla OTW, gdyż w tym czasie przewidywania Einsteina dla kąta ugięcia promienia światła przez Słońce zawierały błąd o czynnik 2. 2a. Arthur Eddington (Wyspa Książęca, wybrzeże Afryki Zachodniej, wiosna 1919r.); Słońce wyjrzało zza chmur jedynie na krótką chwilę jeden zestaw danych 2b. Andrew Crommelin (Sobral, Brazylia, wiosna 1919 r.); aparatura dała nieostre obrazy z powodu jej wrażliwości na zmiany temperatury; dwa zestawy danych: z dużego i małego teleskopu. Pierwsze obrazy ok. tuzina gwiazd (z gromady Hiad) obserwowane przez soczewkę grawitacyjną wytworzoną przez masę Słońca T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 6

7 Klasyczny test OTW: zakrzywienie światła w pobliżu Słońca Porównanie obrazów Eddingtona i Crommelina z fotografiami tych samych gwiazd wykonanymi w nocy (gdy na położenie gwiazd nie wpływa zakrzywienie czasoprzestrzeni. Wynik: przesunięcie o 1.74 sekundy kątowej z błędem 20% - zgodnie z OTW (obecna precyzja 1%) Kontrowersje: analiza danych, dokonana przez Eddingtona mogłaby być zakwestionowana: Sobral: mały teleskop: 1.98 ± 0.12 Wyspa Książeca: 1.61 ± 0.30 Sobral duży teleskop: 0.93 ±?? jakość danych: Eddington ogłosił wszystkie trzy wyniki, zaznaczając, iż trzeci jest tak słabej jakości, iż nie uwzględnia go w średniej Times, 6.XI 1919r. REWOLUCJA W NAUCE: Nowa teoria Wszechświata: idee Newtona odrzucone Słońce stało się w ten sposób pierwszą znaną nam soczewką grawitacyjną T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 7

8 Dalsza, krótka historia soczewkowania grawitacyjnego Eddington r.: pole grawitacyjne wokół cząstki będzie działać jak soczewka skupiająca ; po drugiej stronie soczewki powstaną obrazy poboczne. Orest Chwolson 1924r.: rozważa możliwość obserwowania fikcyjnych gwiazd podwójnych gdy światło odległej gwiazdy jest soczewkowane przez inny obiekt; zauważa, iż w pewnych warunkach soczewkowanie może rozszczepić punktowy promień świetlny w pierścień. Einstein 1936r.: - artykuł w Science pt. Działanie gwiazdy jako soczewki dzięki ugięciu światła w polu grawitacyjnym (inspiracja Rudiego Mandla): 1. pełna idea soczewkowania jednej gwiazdy przez drugą, włączając w to istnienie obrazów podwójnych i tworzenie pierścienia świetlnego, 2. uwaga, iż soczewkowanie to najdziwniejszy efekt pozbawiony praktycznego znaczenia oczywiście nie ma nadziei na zaobserwowanie tego zjawiska bezpośrednio. Zwicky 1937r.: dwa listy do Physical Review z ważnymi obliczeniami: Galaktyki to lepsze soczewki niż gwiazdy: Ich soczewkowanie może być narzędziem dalszych testów OTW oraz rozszerza zasięg obserwacji a inaczej niedostępne rejony Wszechświata poprzez powiększanie odległych galaktyk oraz pozwala na bardziej bezpośrednie wyznaczanie mas galaktyk. Jego (prawdziwa) opinia: prawdopodobieństwo wykrycia mgławic, które wytwarzają soczewkowanie grawitacyjne, stanie się praktycznie pewnością. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 8

9 Soczewkowanie grawitacyjne a kwazary Druga po Słońcu soczewka grawitacyjne została odkryta dopiero w 1979 r. Obserwacja kwazara QSO (pierwsze kwazary odkryto w 1963r.) Dokładniejsze badania: 1. dwa bliźniacze źródła światła A i B, odległe od siebie o ok. 6 sekund kątowych. 2. oba obiekty znajdują się w tej samej odległości od Ziemi (ok 6 mld ly). 3. Ich linie spektralne są identyczne. Źródła A i B to dwa obrazy tego samego kwazara, spowodowane obecnością między nim a Ziemią (początkowo niewidocznej) galaktyki T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 9

10 Elementarz soczewkowania grawitacyjnego czyli teleskopu Einsteina Soczewka znajduje się między obserwowanym obiektem a Ziemią. Jest ona rzeźbiona w czasoprzestrzeni poprzez odpowiedni rozkład jej masy. Geometria soczewki (jej kształt i rozmiar) decyduje o efekcie jaki wywiera ona na światło przez nią przechodzące. Znajomość geometrii soczewki wiedza o powodowanym przez nią zakrzywieniu czasoprzestrzeni informacja o tym jaką drogą światło podąża w pobliżu soczewki Najczęściej przedmiotem badań/poszukiwań jest sama soczewka Kluczowe jest to, iż jej działanie jest całkowicie opisywalne jedynie przez rozkład masy. Większość soczewek jest ciemna lub ma ciemną składową (jak większość masy Wszechświata). Soczewkowanie umożliwia, w szczególności, określenie masy całej galaktyki lub odkrycie czarnej dziury dzięki śladom jakie zostawia ona w czasoprzestrzeni wokół niej. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 10

11 Soczewkowanie grawitacyjne a kieliszek (do) wina Podstawy geometrii soczewkowania grawitacyjnego są bardzo podobne do optyki geometrycznej soczewek zbudowanych ze szkła lub plastiku W przypadku szkieł optycznych ugięcie światła jest spowodowane krzywizną powierzchni rozdzielającej ośrodki i różnicą prędkości rozchodzenia się w nich światła (zmianą współczynnika załamania światło niebieskie rozchodzi się wolniej niż czerwone) T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 11

12 Soczewkowanie grawitacyjne a poszukiwanie ciemnej materii Efekt soczewkowania grawitacyjnego jest wynikiem zakrzywienia czasoprzestrzeni. W odróżnieniu od szkła, na ugięcie nie ma wpływu materiał, przez który przechodzi światło, Wpływ ten posiada natomiast sposób zmian pola grawitacyjnego. Światło zwalnia w polu grawitacyjnym, lecz efekt ten nie jest zależny od koloru światła. Najprostsza soczewka grawitacyjna składa się z pojedynczego masywnego obiektu, którego rozmiary są zaniedbywalnie małe w porównaniu do skal odległości występujących między źródłem i obserwatorem. Obraz wytworzony przez taką soczewkę zależy od: - masy obiektu występującego w roli soczewki (jak wielkie zniekształcenie czasoprzestrzeni obiekt powoduje), - ułożenia obiektu i soczewki względem siebie (najsilniejsze soczewkowanie wówczas gdy soczewka znajduje się dokładnie przed obiektem), - odległości między źródłem, soczewką i obserwatorem (efekt maksymalny wtedy, gdy soczewka znajduje się w połowie odległości między źródłem i obserwatorem). T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 12

13 Soczewkowanie grawitacyjne a poszukiwanie ciemnej materii Światło w pobliżu masywnego obiektu podąża najkrótszą drogą w zakrzywionej przez obiekt czasoprzestrzeni. Wielkość ugięcia określa kąt pomiędzy prostą, po której światło się rozchodziło (z dala od masywnego obiektu), a kierunkiem, w którym się ono propaguje po przejściu w pobliżu masy. Wartość kąta ugięcia wynika z równań Einsteina: M masa obiektu b parametr zderzenia c prędkość światła G stała Newtona R s promień Schwarzschilda Obraz powstały w wyniku soczewkowania, obserwowany w ziemskim teleskopie stanowi rodzaj złudzenia optycznego: światło wydaje się docierać z punktu na niebie, który jest przesunięty względem położenia, w którym obiekt powinien się znajdować przy nieobecności masy soczewki. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 13

14 Pierścień Einstena Ten typ soczewkowania pojawia się gdy źródło światła, soczewka i obserwator znajdują się dokładnie na linii prostej, a soczewka jest położona w połowie odległości między źródłem i obserwatorem. W takim przypadku światło wychodzące ze źródła może poruszać się jednocześnie w wielu kierunkach, podążając po trajektoriach, które zakrzywiają się i ostatecznie kończą w jednym miejscu (naszej obserwacji). Sama soczewka jest niewidoczna na zdjęciu. Źródło galaktyka świecąca jasno w zakresie radiowym, z centralnym jądrem oraz dwom listkami rozkładu fal radiowych rozchodzącymi się z obu stron jądra. Soczewka leży bezpośrednio przed jednym z listków rozkładu fal radiowych i wytwarza dwa obrazy jądra galaktyki (jasne plamy) oraz pierścień światła. Pierwsza obserwacja: Jacqueline Hewitt et al., 1987 r. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 14

15 Pierścień Einstena Projekt SDSS (Sloan Digitan Sky Survey): osiem kolejnych pierścieni 2006 r. Soczewki galaktyki eliptyczne odległe od Ziemi 2-4 miliony ly widoczne na zdjęciach jako pomarańczowo-żółte elipsy w środku byczego oka. Niebieskawe pierścienie (otaczające soczewki) galaktyki znajdujące się za soczewką, położone od nas dwa razy dalej niż soczewki. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 15

16 Pierścień Einstena T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 16

17 Pierścień Einsteina W przeciwieństwie do soczewek optycznych, zaprojektowanych tak, aby odtwarzać w ognisku obraz pierwotny jak najwierniej, każda część soczewki grawitacyjnej ma swoje własne ognisko. Każdy element soczewki grawitacyjnej odchyla przechodzące przez nią światło w różnych kierunkach zależnie od kąta padania i tego, która jej część przechwytuje światło. Na Ziemi widzimy pierścień tj. tylko tę część światła, która została skierowana do miejsca obserwacji. T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 17

18 Pierścień Einsteina T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 18

19 Pierścień Einsteina Problem: nie możemy przesuwać soczewki (np. galaktyki) w przestrzeni w poszukiwaniu obrazów jakie ona dostarcza. Zamiast tego można wykonać symulacje komputerowe: Oryginał: niesoczewkowany znak zapytania Soczewka leży bezpośrednio przed znakiem zapytania i powstaje pierścień Einsteina Soczewka jest nieco przesunięta na lewo od znaku zapytania i powstają dwa obrazy (jeden z nich jest odwrócony) Niewidzialna soczewka znajduje się na lewym brzegu ramki i widoczny jest tylko efekt słabego soczewkowania (obraz znaku zapytania lekko zniekształcony i przesunięty trochę na prawo) T.Lesiak Soczewki grawitacyjne 19