Soczewki Grawitacyjne

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Soczewki Grawitacyjne"

Władysława Wrona
9 lat temu
Przeglądów:

1 Klub Dyskusyjny Fizyków 26 września 2013 Soczewki Grawitacyjne Marek Biesiada Zakład Astrofizyki i Kosmologii Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego Katowice

2 Soczewki grawitacyjne Istota zjawiska

3 Optyka Geometryczna Zwykła Soczewka zakrzywia promienie światła dzięki różnicy we współczynniku załamania

4 Soczewka grawitacyjna? Dlaczego?!!!

5 Historycznie: John Mitchell ( ) w liście do Henry ego Cavendisha ( ) [niezależnie Soldner 1801] załóżmy, że światło składa się z cząstek w polu grawitacyjnym Słońca cząstka światła doznaje przyspieszenia ogólnie trajektoria jest jednym z przekrojów stożkowych (elipsa, parabola, hiperbola)

cząstek w polu grawitacyjnym Słońca cząstka światła doznaje przyspieszenia

6 Orbity Keplerowskie Orbita eliptyczna prędkość mniejsza od prędkości ucieczki Orbita kołowa Orbita hiperboliczna prędkość większa od prędkości ucieczki Orbita paraboliczna prędkość równa prędkości ucieczki

hiperboliczna prędkość większa od prędkości

7 Historycznie: John Mitchell ( ) w liście do Henry ego Cavendisha ( ) [niezależnie Soldner 1801] załóżmy, że światło składa się z cząstek w polu grawitacyjnym Słońca cząstka światła doznaje przyspieszenia ogólnie trajektoria jest jednym z przekrojów stożkowych (elipsa, parabola, hiperbola) dla światła będzie to hiperbola ( c >> Vesc ) stąd wyliczamy α = 2GM c 2b dla promienia świetlnego stycznego do brzegu tarczy Słońca 2GM α = 2 = 0' '.875 turbulencja atmosfery c R seeing

jednym z przekrojów stożkowych (elipsa, parabola, hiperbola) dla światła będzie to hiperbola ( c >> Vesc ) stąd wyliczamy α

8 areną Fizyki jest czasoprzestrzeń (arena zdarzeń) Obraz Newtonowski A.Einstein czasoprzestrzeń posiada strukturę 4-wymiarowej przestrzeni geometrycznej w STW przestrzeń Minkowskiego (metryka M.) stożek światła

9 areną Fizyki jest czasoprzestrzeń (arena zdarzeń) Obraz Newtonowski A.Einstein czasoprzestrzeń posiada strukturę 4-wymiarowej przestrzeni geometrycznej w STW przestrzeń Minkowskiego (metryka M.) stożek światła Sfera niebieska = = rzut stożka światła przeszłości!

10 OTW - masa zakrzywia czasoprzestrzeń arena zdarzeń przestaje być SZTYWNA równania pola Einsteina jak materia zakrzywia czasoprzestrzeń w zakrzywionej czasoprzestrzeni ruch swobodny ciał odbywa się po geodetykach (tj. najkrótszych drogach) cały Wszechświat w jednym wzorze

czasoprzestrzeń w zakrzywionej czasoprzestrzeni ruch swobodny ciał

11 Orbity planet linie swobodnego ruchu, ale w zakrzywionej czasoprzestrzeni! Orbita kołowa Orbita eliptyczna Orbita hiperboliczna

12 Zakrzywienie czasoprzestrzeni czują nie tylko ciała masywne, ale także światło! Obliczenia w ramach OTW Ugięcie światła w pobliżu tarczy Słońca 1919 Eddington α = 4GM = 1' '.75 c2r

13 Sir Arthur Eddington Organizuje w 1919 ekspedycje do Ameryki Pd. (Sobral) i Afryki (Principe Island) 29.V.1919 całkowite zaćmienie Słońca na tle Hiad

14 Pierwszy test OTW, 29 maja 1919 Sir Arthur Eddington sfotografował gwiazdy w pobliżu Słońca podczas całkowitego zaćmienia Słońca zdjęcia historyczne photos from National Maritime Museum, Greenwich Einstein staje się celebrytą w ciągu następnego roku powstaje ponad 100 książek nt. Teorii Względności

photos from National Maritime Museum, Greenwich Einstein staje się

16 Einstein pierścień Einsteina θe= 4GM DLS c 2 DL DS Eddington 1920 idea wielokrotnych obrazów

17 Soczewkowanie grawitacyjne Einstein sceptyczny co do obserwowalności efektu soczewki o masach rzędu masy Słońca 1 M przy odległościach wzajemnych typowych dla Galaktyki 5 10 kpc mają promienie Einsteina rzędu nieobserwowalne! Zwicky 1937 (!) galaktyki w roli soczewek Galaktyki mają masy rzędu M ich wzajemne odległości to 10 Mpc 1 Gpc daje to promień Einsteina rzędu 1. To już można zobaczyć!

rzędu 0.001 nieobserwowalne! Zwicky 1937 (!

18 Soczewkowanie grawitacyjne nowa historia - Refsdal 1964 pomiary H0 z soczewkowania Walsh, Carswell & Weynmann 1979 QSO A,B Soucail, Fort, Mellier olbrzymie łuki w gromadach galaktyk w okresie odkryto 11 soczewek w 2006 znano ich ok. 70 obecnie ponad 200 soczewek

Fort, Mellier 1987 - olbrzymie łuki w gromadach galaktyk w okresie 1978

24 Tajemnicze gigantyczne łuki' w gromadach A370,Cl2244 Paczyński sugeruje soczewkowanie 1987 Fort i wsp. potwierdzają spektroskopowo Gromady są bardziej masywne niż się spodziewano!!!

27 Postęp w odkrywaniu soczewek Pierwsze przeglądy koncentrowały się na potencjalnych źródłach (kwazary) Typowa galaktyka z promieniem Einsteina E przekrój czynny na soczewkowanie E2 gdy zbadamy N takich galaktyk szukając soczewkowanych źródeł, znajdziemy N E2 source przypadków, gdzie source jest gęstością powierzchniową źródeł (na sferze niebieskiej) gdy zbadamy N źródeł szukając bliżej leżących galaktyk w roli soczewek znajdziemy N E2 lens soczewek, gdzie lens jest gęstością powierzchniową galaktyk wiemy, że jest gęstość powierzchniowa masywnych galaktyk jest znacznie większa od jest gęstości powierzchniowej źródeł lens >> source zatem aby znaleźć tą samą liczbę soczewek należy zbadać znacznie mniej potencjalnychźródeł niż potencjalnych soczewek 27 Obecnie - w erze potężnych przeglądów galaktyk (jak np. SDSS)

28 Nowa strategia oparta na badaniu potencjalnych soczewek After L. Koopmans : 28

29 Nowa strategia oparta na badaniu potencjalnych soczewek After L. Koopmans : 29

30 Nowa strategia oparta na badaniu potencjalnych soczewek After L. Koopmans : 30

31 31

33 Soczewkowanie grawitacyjne Formalizm promieni świetlnych Formalizm frontów falowych (zasada Fermata)

34 Efekt soczewkowania grawitacyjnego Dwa reżimy soczewkowania: Silne: wielokrotne obrazy różnice w czasie propagacji dla różnych obrazów metoda wyznaczania H0 słabe: deformacja obrazów Promień Einsteina (wyznaczony przez masę!) - zadaje charakterystyczną skalę kątową zjawiska θe= 4GM DLS c 2 DL DS Soczewka punktowa

35 Zastosowania Soczewek Grawitacyjnych Wyznaczanie mas galaktyk i ich gromad Ciemna materia Badanie przyspieszającej ekspansji Wszechświata

36 Krzywe rotacji R 2 v GM (r ) m = m r r2 4π M (r ) = ρ r 3 for r Ł R 3 = M tot for r > R 4π G ρ 3 v(r ) = = r GM tot r for r Ł R for r > R

37 Problem ciemnej materii we Wszechświecie pionierzy Oort 1923 Zwicky 1925 płaskie krzywe rotacji galaktyk emisja X gromad soczewkowanie grawitacyjne

38 Kosmologiczne zastosowanie soczewek grawitacyjnych: wyznaczanie (rozkładu) masy w skali galaktyk Różnice jasności makro-obrazów Efekt soczewkowania przez zagęszczenia ciemnej materii

39 Zmienność źródła (AGN) + opóźnienia czasowe krzywe jasności obrazów

40 Efekt mikrosoczewkowania residua po odjęciu krzywych jasności makro-obrazów

41 Kosmologiczne zastosowanie soczewek grawitacyjnych: wyznaczanie (rozkładu) masy na dużych skalach tzw. słabe soczewkowanie z uwzględnieniem soczewkowania bez soczewkowania zrzutowany rozkład masy

42 Bullet Cluster

43 Kosmiczne teleskopy Zdeformowany lecz wzmocniony (!) obraz odległej galaktyki

44 Dyspersja prędkości spektroskopia Dynamika gwiazd (spektroskopia) Soczewkowanie grawitacyjne 2 θe σ v DLS = 4π c DS Z pomiarów pozycji kątowych obrazów Określone przez model kosmologiczny idea rozwijana w IF UŚ Nobel 2011

45 Mikrosoczewkowanie grawitacyjne Of course, there is no hope of observing this phenomenon directly Albert Einstein (1936) Bohdan Paczyński 1986 pomysł obserwacji mikrosoczewkowania Paczyński 1991 mikrosoczewkowanie jako metoda odkrywania planet pozasłonecznych OGLE trwa do nadal

48 ruch względny źródła i soczewki promień Einsteina soczewki

49 Gdy źródło przekracza pierścień Einsteina pojawiają się 2 obrazy * odległe o ok. 1 mas * nie sposób ich zobaczyć * widzimy 1 obraz źródła, lecz jaśniejszy niż bez soczewkowania * ruch względny soczewki i źródła przejawia się zmianą jasności źródła w czasie

50 Krzywa blasku w zjawisku mikrosoczewkowania soczewkowana gwiazda soczewka

51 Typowe zjawisko mikrosoczewkowania

52 Poszukiwania planet pozasłonecznych

56 Zjawisko OGLE 2005-BLG-071 układ odległy o l.ś. gwiazda 0.6 M0 planeta 4 MJow. w odległości 2 AU

57 Soczewkowanie grawitacyjne ma przyszłość!

Podobne dokumenty

Soczewki grawitacyjne narzędziem Kosmologii

Zjazd P.T.A. Kraków 14-18.09.2009 Sesja Kosmologiczna Soczewki grawitacyjne narzędziem Kosmologii Marek Biesiada Zakład Astrofizyki i Kosmologii Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach Filary