Просмотр кода страницы Гравитационная линза

{{нужна статья|гравитационное микролинзирование}}
{{ОТО}}
[[Файл:Gravitational lens-full.jpg|thumb|300px|]][[Файл:A Horseshoe Einstein Ring from Hubble.JPG|мини|300px|Снятая телескопом «Хаббл» т. н. «[[космическая подкова]]» — гигантская эллиптическая галактика на {{math|[[красное смещение|''z'']] {{=}} 0,45}}, линзирующая карликовую галактику на {{math|''z'' {{=}} 2,38}}]]
'''Гравитацио́нная ли́нза''' — массивное тело ([[планета]], [[звезда]], [[галактика]], [[скопление галактик]], скопление [[Тёмная материя|тёмной материи]]), [[Гравитационное отклонение света|изменяющее своим гравитационным полем]] направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому как обычная [[линза]] изменяет направление светового луча. Само явление искривления светового луча под воздействием гравитации было предсказано [[Общая теория относительности|общей теорией относительности (ОТО)]] [[Эйнштейн, Альберт|А. Эйнштейна]], и обнаружение гравитационных линз явилось одним из подтверждений ОТО<ref>{{cite book |title=A First Course in General Relativity |author1=Bernard F. Schutz |edition=illustrated, herdruk |publisher=Cambridge University Press |year=1985 |isbn=978-0-521-27703-7 |page=295 |url=https://books.google.com/books?id=qhDFuWbLlgQC }} {{Cite web |url=https://books.google.com/books?id=qhDFuWbLlgQC |title=Источник |access-date=2022-02-08 |archive-date=2020-07-10 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200710105132/https://books.google.com/books?id=qhDFuWbLlgQC |deadlink=unfit }}</ref><ref>{{cite book |title=Relativity: Special, General, and Cosmological |author1=Wolfgang Rindler |edition=2nd |publisher=OUP Oxford |year=2006 |isbn=978-0-19-152433-2 |page=21 |url=https://books.google.com/books?id=UQpREAAAQBAJ }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=UQpREAAAQBAJ |date=20220109185046 }} [https://books.google.com/books?id=UQpREAAAQBAJ&pg=PA21 Extract of page 21] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=UQpREAAAQBAJ&pg=PA21 |date=20220109185047 }}</ref><ref>{{cite book |title=General Relativity And Relativistic Astrophysics - Proceedings Of The 4th Canadian Conference |author1=Gabor Kunstatter |author2=Jeffrey G Williams |author3=D E Vincent |edition= |publisher=World Scientific |year=1992 |isbn=978-981-4554-87-9 |page=100 |url=https://books.google.com/books?id=ukJBDwAAQBAJ }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=ukJBDwAAQBAJ |date=20220404192011 }} [https://books.google.com/books?id=ukJBDwAAQBAJ&pg=PA100 Extract of page 100] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=ukJBDwAAQBAJ&pg=PA100 |date=20220404192635 }}</ref><ref>{{cite book |title=The Evolving Universe and the Origin of Life: The Search for Our Cosmic Roots |author1=Pekka Teerikorpi |author2=Mauri Valtonen |author3=K. Lehto |author4=Harry Lehto |author5=Gene Byrd |author6=Arthur Chernin |edition=illustrated |publisher=Springer Science & Business Media |year=2008 |isbn=978-0-387-09534-9 |page=165 |url=https://books.google.com/books?id=sNmtKZnUg-sC }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=sNmtKZnUg-sC |date=20220404194727 }} [https://books.google.com/books?id=sNmtKZnUg-sC&pg=PA165 Extract of page 165] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=sNmtKZnUg-sC&pg=PA165 |date=20220404192647 }}</ref>.

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: [[Галактика|галактики]] и скопления галактик. Более компактные объекты — например, [[Звезда|звёзды]] — тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение в большинстве случаев не представляется возможным. В этом случае можно обычно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между [[Земля|Землёй]] и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение практически невозможно. Если же объект-линза не яркий или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются '''микролинзированием'''. Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и не видимые никаким иным способом скопления материи.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования [[каустика|каустик]] для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне вписывается в предположение, что оба тела сферической формы. Однако в 2—3 % всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях<ref>{{cite doi|10.1111/j.1365-2966.2004.08046.x}}</ref>. Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если она состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069<ref>{{cite arxiv |eprint=astro-ph/0502018 |author=D. Kubas, A. Cassan, J. P. Beaulieu, C. Coutures, M. Dominik, M. D. Albrow, S. Brillant, J. A. R. Caldwell, D. Dominis, J. Donatowicz, P. Fouque, U. G. Jorgensen, J. Greenhill, K. Hill, K. Horne, S. Kane, J. B. Marquette, R. Martin, J. Menzies, K. R. Pollard, K. C. Sahu, C. Vinter, J. Wambsganss, R. Watson, A. Williams, C. Fendt, J. Heinmueller, C. Thurl |title=Full characterization of binary-lens event OGLE-2002-BLG-069 from PLANET observations |year=2005 }}</ref>. Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.

== Наблюдения ==
[[Файл:Einstein cross.jpg|thumb|left|[[Крест Эйнштейна]] — четыре изображения далёкого [[квазар]]а обрамляют близкую галактику, служащую в данном случае гравитационной линзой]]
{{пустой раздел|дата=2012-05-30}}

== Описание ==
В отличие от [[Линза|оптической линзы]], гравитационная линза более всего искривляет свет, проходящий ближе всего к её центру, и менее всего искривляет тот свет, который проходит дальше всего от центра. Следовательно, гравитационная линза не имеет точки [[Фокус (физика)|фокусировки]], однако обладает фокальной линией. Термин «линза», подразумевающий отклонение света из-за гравитации, впервые был использован [[Лодж, Оливер Джозеф|Оливером Лоджем]], который отметил, что «недопустимо говорить, что [[гравитационное поле]] Солнца действует как линза, поскольку у него нет [[Фокусное расстояние|фокусного расстояния]]»<ref name=Sch1992>{{книга |заглавие=Gravitational Lenses |издательство=Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Press |isbn=3-540-97070-3 |автор=Schneider P., Ehlers J., Falco E. E. |год=1992 }}</ref>. Если источник света, массивный линзирующий объект и наблюдатель расположены на одной прямой, источник света будет виден как кольцо вокруг массивного объекта. При отклонении взаимного расположения тел от прямой наблюдатель сможет увидеть только участок дуги. Впервые это явление было упомянуто физиком из Ленинграда [[Орест Данилович Хвольсон|Орестом Даниловичем Хвольсоном]] в 1924 г.<ref name="Early History of Gravitational Lensing">{{cite web|url=http://www.nd.edu/~hps/turner.pdf|title=The Early History of Gravitational Lensing|first=Christina|last=Turner|date=2006-02-14|url-status=dead|archive-url= https://web.archive.org/web/20080725085534/http://www.nd.edu/%7Ehps/turner.pdf|archive-date=2008-07-25}}</ref>, а численные оценки были проведены Альбертом Эйнштейном в [[1936 год]]у<ref name=":0">{{Cite web |url= http://www.einstein-online.info/spotlights/grav_lensing_history|title=A brief history of gravitational lensing — Einstein Online|website=www.einstein-online.info|access-date=2016-06-29|archive-url= https://web.archive.org/web/20160701154224/http://www.einstein-online.info/spotlights/grav_lensing_history|archive-date=2016-07-01|url-status=dead}}</ref>. В литературе данный эффект обычно называется [[кольцо Эйнштейна|кольцом Эйнштейна]], так как Хвольсон не стал вычислять ни яркость, ни радиус видимого кольца. В более общем случае, когда эффект гравитационного линзирования вызван системой тел (группой или [[Скопление галактик|скоплением галактик]]), не обладающей сферической симметрией, источник света будет виден наблюдателю как части дуг, расположенных вокруг линзы. Наблюдатель в таком случае сможет видеть искривлённые размноженные изображения одного и того же объекта. Их количество и форма зависит от взаимного расположения источника света (объекта), линзы и наблюдателя, а также от формы гравитационной [[Потенциальная яма|потенциальной ямы]], создаваемой линзирующим объектом<ref>''Brill D.'' [http://astroreview.com/issue/2012/article/black-hole-horizons-and-how-they-begin Black Hole Horizons and How They Begin] {{Wayback|url=http://astroreview.com/issue/2012/article/black-hole-horizons-and-how-they-begin |date=20140916114805 }}, Astronomical Review (2012); Online Article, cited Sept.2012.]</ref>.

Существует три класса гравитационных линз<ref name=Sch1992/><ref>{{книга |заглавие=The Galactic Supermassive Black Hole |издательство=[[Princeton University Press]] |isbn=0-691-13129-5 |страницы=255—256 |автор=Melia F. |год=2007 }}</ref>:
# [[Сильное гравитационное линзирование]], вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения.
# [[Слабое гравитационное линзирование]], вызывающее лишь малые искажения в изображении объекта, который находится позади линзы (далее — объект фона). Эти искажения могут быть зафиксированы только после статистического анализа большого количества объектов фона, что позволяет найти небольшое согласованное искажение их изображений. Линзирование проявляется в небольшом растяжении изображения перпендикулярно направлению к центру линзы. Изучая форму и ориентацию большого количества отдалённых галактик фона, мы получаем возможность измерить линзирующее поле в любой области. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы, чтобы восстановить распределение масс в данной области пространства; в частности, этим методом можно исследовать распределение [[тёмная материя|тёмной материи]]. Поскольку галактики сами по себе обладают эллиптической формой и искажения от слабого линзирования малы, для использования этого метода необходимо наблюдение большого числа галактик фона. Такого рода обзоры должны тщательно учитывать многие источники [[систематическая погрешность|систематической погрешности]]: собственную форму галактик, пространственную функцию отклика светочувствительной матрицы, атмосферные искажения и т. д. Результаты этих исследований важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и развития модели [[Лямбда-CDM]], а также для того, чтобы обеспечить проверку непротиворечивости с другими космологическими наблюдениями<ref>{{статья|автор=Refregier A. |заглавие=Weak gravitational lensing by large-scale structure |издание={{Нп3|Annual Review of Astronomy and Astrophysics}} |год=2003 |том=41 |выпуск=1 |страницы=645—668 |ссылка= |doi=10.1146/annurev.astro.41.111302.102207 |arxiv=astro-ph/0307212 |bibcode=2003ARA&A..41..645R |язык=en |издательство=[[Annual Reviews]] }}</ref>.
# [[Микролинзирование]] не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды [[Млечный Путь|Млечного Пути]], их планеты, а источником света — звёзды отдалённых галактик или [[квазар]]ы, находящиеся на ещё более далёком расстоянии. В отличие от первых двух случаев, изменение наблюдаемой картины при микролинзировании происходит за характерное время от секунд до сотен дней. Микролинзирование позволяет оценить количество слабосветящихся объектов с массами порядка звёздных (например, [[Белый карлик|белых карликов]]) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является [[Методы обнаружения экзопланет#Гравитационное микролинзирование|одним из методов]] поиска [[Экзопланета|экзопланет]].

Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], не только на видимый свет. Помимо вышеописанных обзоров галактик, слабое линзирование может изучаться по его влиянию на [[Реликтовое излучение|космическое микроволновое фоновое излучение]]. Сильное линзирование наблюдалось в радио- и [[Рентгеновское излучение|рентгеновском]] диапазонах.

В случае сильного гравитационного линзирования, если наблюдается несколько изображений объекта фона, то свет от источника, идущий разными путями, будет приходить к наблюдателю в разное время; измерение этой задержки (например, от фонового квазара с переменной яркостью) позволяет оценить распределение масс вдоль луча зрения.

== Поиск гравитационных линз ==
В прошлом большинство гравитационных линз было найдено случайно. Поиск гравитационных линз в северном полушарии (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), который проводили при помощи радиотелескопа [[Very Large Array (радиотелескоп)|Very Large Array]] в [[Нью-Мексико]], позволил обнаружить 22 новые линзирующие системы. Это открыло совершенно новые пути исследования от поиска очень далёких объектов до определения величин космологических параметров для лучшего понимания [[Вселенная|вселенной]].{{Нет АИ|10|6|2017}}

Подобное исследование из южного полушария позволило бы нам сделать большой шаг к завершению исследований из северного полушария, а также к выявлению новых объектов для изучения. Если такое исследование будет проведено при помощи хорошо откалиброванных и хорошо настроенных инструментов, то можно ожидать результатов, подобным тем, которые были получены в ходе исследования из северного полушария. Примером подходящих данных являются данные, полученные с помощью австралийского телескопа AT20G на базе радиоинтерферометра АТКА. Так как данные были получены с помощью прибора, измеряющего точные данные, похожего на тот, который использовали в северном полушарии, стоит ожидать хороших результатов исследования. AT20G работает на частоте до 20 [[Герц (единица измерения)|ГГц]] в радио полях электромагнитного спектра. Так как используется высокая частота, шансы найти гравитационные линзы вырастают, ведь повышается количество малых базовых объектов (например, квазаров). Это важно, так как проще обнаружить линзу на примере более простых объектов. Этот поиск включает в себя использование интерференционных методов определения примеров и наблюдение за ними в более высоком разрешении. Полное описание проекта сейчас готовится к публикации.{{Нет АИ|10|6|2017}}

Астрономы из [[Общество Макса Планка|общества научных исследований имени Макса Планка]] обнаружили самую отдалённую на тот момент галактику с эффектом гравитационного линзирования ({{Не переведено|J1000+0221|J1000+0221|4=J1000+0221}}) с помощью [[Телескоп Хаббла|телескопа «Хаббл»]] [[NASA|НАСА]]. На данный момент эта галактика остаётся самой отдалённой, разделяющей изображение на четыре. Однако международной командой астрономов с помощью телескопа «Хаббл» и телескопа [[Обсерватория Кека|обсерватории Кека]] была обнаружена [[Спектроскопия|спектроскопическими методами]] ещё более отдалённая галактика, раздваивающая изображение. Открытие и анализ линзы {{Не переведено|IRC 0218|IRC 0218|4=IRC 0218}} были опубликованы в [[Astrophysical Journal Letters]] 23 июня 2014 г.{{Нет АИ|10|6|2017}}

== Теория ==
[[Файл:Gravitational lensing equation.png|thumb|300px|Схема гравитационного линзирования]]
Гравитационную линзу можно рассматривать как обычную линзу, но только с коэффициентом преломления, зависящим от положения. Тогда общее уравнение для всех моделей можно записать следующим образом<ref name="zaharov">{{книга |автор=Захаров А. Ф. |заглавие=Гравитационные линзы и микролинзы |место=М. |издательство=Янус-К |год=1997 |isbn=5-88929-037-1 }}</ref>:

: <math>\eta = \frac{D_s}{D_d}\xi-D_{ds}\hat{\alpha}(\xi),</math>

где {{math|η}} — координата источника, {{math|ξ}} — расстояние от центра линзы до точки преломления ([[прицельный параметр]]) в плоскости линзы, {{math|''D<sub>s</sub>''}}, {{math|''D<sub>d</sub>''}} — расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, {{math|''D<sub>ds</sub>''}} — расстояние между линзой и источником, {{math|α}} — угол отклонения, вычисляемый по формуле

: <math>\alpha = \frac{4G}{c} \int_{R^2} \frac{(\xi_i - \xi')\Sigma(\xi)}{|\xi_i - \xi'|^2},</math>

где {{math|Σ}} — поверхностная плотность, вдоль которой «скользит» луч. Если обозначить характерную длину в плоскости линзы {{math|ξ<sub>0</sub>}}, а соответствующую ей величину в плоскости источника {{math|η<sub>0</sub> {{=}} ξ<sub>0</sub>''D<sub>s</sub>''/''D<sub>l</sub>''}} и ввести соответствующие безразмерные векторы {{math|''x'' {{=}} ξ/ξ<sub>0</sub>}} и {{math|y {{=}} η/η<sub>0</sub>}}, то уравнение линзы можно записать в следующем виде{{прояснить|комм=что такое ψ?}}:

: <math>y = x - \nabla\psi(x) = \nabla\left(\frac{1}{2} x^2 - \psi(x)\right).</math>

Тогда, если ввести функцию <math>\phi(x, y) = \frac{(x - y)^2}{2} - \psi(x),</math> называемую потенциалом Ферма, то можно записать уравнение следующим образом<ref name="zaharov"/>:

: <math>\nabla\phi(x, y) = 0.</math>

Временну́ю задержку между изображениями также принято записывать через потенциал Ферма<ref name="zaharov"/>:

: <math>T(x, y) = \frac{1}{c} \xi^2_0 \frac{D_s}{D_lD_{ls}}(1 + z_l)\big|\phi(x_i, y) - \phi(x_j, y)\big|.</math>

Иногда удобно выбрать масштаб {{math|ξ<sub>0</sub> {{=}} ''D<sub>l</sub>''}}, тогда {{math|''x''}} и {{math|''y''}} — это угловое положение изображения и источника соответственно.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга |автор=Захаров А. Ф. |заглавие=Гравитационные линзы и микролинзы |место=М. |издательство=Янус-К |год=1997 |isbn=5-88929-037-1 }}
* {{статья |автор=Чернин А. Д. |заглавие=Космические иллюзии и миражи |издание=Квант |ссылка=http://kvant.mccme.ru/1988/07/kosmicheskie_illyuzii_i_mirazh.htm |год=1988 |номер=7 |ref=Чернин |страницы=15—22 }}
* {{статья |автор=Сурдин В. Г. |заглавие=Гравитационная линза |издание=Энциклопедия КРУГОСВЕТ |ссылка=https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/GRAVITATSIONNAYA_LINZA.html }}
* {{статья |заглавие=Cosmological applications of gravitational lensing |издание={{Нп3|Annual Review of Astronomy and Astrophysics}} |страницы=311—358 |номер=1 |том=30 |bibcode=1992ARA&A..30..311B |doi=10.1146/annurev.aa.30.090192.001523 |автор=Blandford & Narayan; Narayan, R. |год=1992 |язык=en}}
* {{статья |заглавие=Weak Gravitational Lensing |ссылка=http://www.mpa-garching.mpg.de/Lenses/WLRevEls.pdf |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070226035150/http://www.mpa-garching.mpg.de/Lenses/WLRevEls.pdf |archivedate=2007-02-26 |автор=Matthias Bartelmann; Peter Schneider |число=17 |месяц=8 |год=2000}}
* {{статья |ссылка=http://www.ams.org/notices/200806/tx080600666p.pdf |заглавие=From Fundamental Theorem of Algebra to Astrophysics: A "Harmonious" Path |издание=[[Notices of the American Mathematical Society|Notices of the AMS]] |том=55 |номер=6 |страницы=666—675 |язык=en |тип=journal |автор=Khavinson, Dmitry; Neumann, Genevra}}.
* {{книга |ссылка=https://www.springer.com/birkhauser/physics/book/978-0-8176-3668-5 |заглавие=Singularity Theory and Gravitational Lensing |серия=Progress in Mathematical Physics |том=21 |издательство={{Нп3|Birkhäuser}} |язык=en |автор=Petters, Arlie O.; Levine, Harold; Wambsganss, Joachim |год=2001}}

== Ссылки ==
{{Навигация
|Портал = Астрономия
}}
* [http://www.astronet.ru/db/msg/1162190 Гравитационная линза] // Астронет
* ''Черепащук А. М''. [http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1168497&s= Гравитационное микролинзирование и проблема скрытой массы]
* {{статья |заглавие=Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne |издание=[[Astronomische Nachrichten]] |том=221 |номер=20 |страницы=329—330 |bibcode=1924AN....221..329C |doi=10.1002/asna.19242212003 |язык=en |автор=Chwolson, O. |год=1924 |тип=journal |издательство=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]]}}
* {{статья |заглавие=Lens-like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field |издание=Science |том=84 |страницы=506—507 |doi=10.1126/science.84.2188.506 |pmid=17769014 |номер=2188 |jstor=1663250 |bibcode=1936Sci....84..506E |ссылка=https://semanticscholar.org/paper/615e5e09edc30533e7395497a17ae48b1d87c2bf |язык=en |тип=journal |автор=[[Albert Einstein|Einstein, Albert]] |год=1936}}
* {{статья |заглавие=The Origin of Gravitational Lensing: A Postscript to Einstein's 1936 Science paper |издание=Science |том=275 |страницы=184—186 |doi=10.1126/science.275.5297.184 |pmid=8985006 |номер=5297 |bibcode=1997Sci...275..184R |язык=en |тип=journal |автор=Renn, Jürgen; Tilman Sauer; John Stachel |год=1997}}

{{ВС}}
{{Галактики}}
{{Чёрные дыры}}

[[Категория:Астрофизика]]
[[Категория:Релятивистские и гравитационные явления]]
[[Категория:Астрономические явления]]
[[Категория:Гравитационное линзирование| ]]