space

Гравитация может искривлять свет — как телескоп

 

Представление Альберта Эйнштейна о том, как работает гравитация, было, мягко говоря, радикальным отходом от старой, ньютоновской точки зрения. Согласно концепции Эйнштейна, система координат пространства-времени, которую мы используем для обозначения событий нашей вселенной, не просто статический фон, а полностью динамическое живое существо само по себе.

Пространство-время может изгибаться, сгибаться и деформироваться под действием массы и энергии, и именно эта грубая геометрия дает нам силу тяжести.

И ничто не знает, насколько сложна эта местность лучше, чем сам свет. Вынужденный следовать за каждым холмом, долиной, неровностью и морщиной во Вселенной, путь света постоянно толкается взад и вперед, поскольку он тщетно пытается следовать по прямому и узкому пути. Присутствие поблизости массивного объекта будет отклонять свет от его первоначального пути.

Несмотря на то, что фотон, носитель света и электромагнитной силы , не имеет собственной массы, влияние гравитации универсально. Как только эта пространственно-временная местность сформирована, все во вселенной должно работать, чтобы ориентироваться в геометрии.

Возможно, наиболее ярким примером этого эффекта является любопытное явление гравитационного линзирования, при котором массивный объект может… ну, действовать как линза. Этот эффект может искривлять световой путь до такой степени, что фоновые объекты приобретают забавный зеркальный вид, их изображения искажаются до такой степени, что их почти невозможно узнать.

Темно-винное небо

По чистому совпадению основание типичного бокала является хорошим приближением к гравитационному линзированию простого (относительно) небольшого сферического объекта, такого как звезда. Если вы посмотрите через (надеюсь, пустой) бокал для вина на комнату вокруг вас — и вы, возможно, захотите сделать это трезвым, чтобы было больше смысла, — вы увидите очень искаженную картину.

Если вы направите бокал прямо на объект, вы увидите, что объект вытянут в кольцо, окружающее центр основания бокала. В менее крайних случаях вы увидите дуги или одно и то же изображение, повторяющееся на нескольких сторонах основания.

Когда мы заглядываем вглубь Вселенной, иногда мы сталкиваемся со случайным совпадением. Что-то действительно массивное, например гигантское скопление галактик, будет располагаться перед множеством несвязанных фоновых галактик.

Свет от далекого фона должен следовать изогнутой и искривленной гравитационной траектории, заданной скоплением, и в результате получается удивительно красивый набор изображений. Как будто глядя через гигантский бокал для вина, мы увидим несколько изображений одной и той же галактики, изогнутых длинными тонкими дугами, странными пятнами и иногда даже идеальными кольцами.

Эти искаженные и искаженные изображения дают нам важные подсказки о содержимом кластера — массивном объекте между нами и фоном, который обеспечивает достаточную гравитацию, чтобы получился достойный объектив. Сравнивая гротескные изображения галактик позади скопления с нормальными изображениями галактик, мы можем сделать довольно надежную оценку массы большого скопления. Мы даже можем оценить, как эта масса распределяется в кластере.

Этот метод предоставляет еще одно ключевое свидетельство существования темной материи . Это потому, что этот эффект полностью независим от других подходов к измерению массы скоплений, таких как кривые вращения галактик и температуры газа скоплений галактик. Уберите присутствие темной материи, и искривленный путь света от фоновых галактик вокруг скоплений будет не таким серьезным, как мы видим.

Слабость в силе

Мы получаем полезную космологическую информацию не только через большие толстые скопления. На противоположном конце спектра от сильных линз находятся, как вы уже догадались, слабые линзы. По определению, все во Вселенной может действовать как гравитационная линза; просто ваша техника наблюдения должна быть достаточно чувствительной, чтобы обнаруживать линзы.

Когда свет летит к нам из далеких пределов Вселенной, он фильтруется через любые промежуточные источники массы и вокруг них. Если вы бросили беглый взгляд на любую случайную далекую галактику — особенно ту, которая застряла за большим скоплением — она ​​не будет выглядеть иначе, чем соседняя галактика. Но все будет иначе, если только поминутно. Небольшая поправка. Там небольшое искажение. Возможно небольшое удлинение или изгиб.

Эти эффекты слишком малы, чтобы их можно было увидеть в какой-либо одной галактике, но если вы проанализируете тысячи, а еще лучше миллионы галактик по всей Вселенной, вы сможете восстановить распределение материи между нами и этими галактиками.

В крайнем случае, мы можем сделать это с помощью космического микроволнового фона , света из ранней Вселенной, который просачивался через кофейную гущу нашего космоса в течение 13,8 миллиардов лет. Мы смогли использовать невероятно крошечные деформации на этом изображении, чтобы завершить еще больший проект: реконструировать распределение материи во всей вселенной между нами и этим фоновым светом.

Но это всего лишь одно изображение, дающее нам полное изгибание, которое свет испытал в своем путешествии по истории Вселенной. Чтобы создать трехмерную карту, нам нужно повторить этот процесс, используя серию концентрических оболочек галактик, окружающих нас, тщательно отображая мельчайшие искажения на их изображениях и отмечая различия в соседних оболочках.

Этот метод, известный как слабое гравитационное линзирование, находится в зачаточном состоянии, но быстро набирает обороты. В настоящее время он широко используется в космологических исследованиях, таких как Обзор темной энергии , и ( надеюсь ) в предстоящих миссиях, таких как WFIRST, для составления карты роста и эволюции структуры в нашей Вселенной, обеспечивая еще одно окно в скрытые царства темной материи и темной энергии.

Самый маленький объектив

Есть еще одно важное применение линз, о котором я должен упомянуть. Вверху у нас есть сильные линзы, похожие на гигантские скопления галактик, способные заметно исказить изображение галактики. Ниже у нас есть слабое линзирование, которое можно обнаружить с помощью тщательного статистического анализа. Ниже мы получаем класс так называемых микролинз, которые слишком малы, чтобы даже вызывать видимые искажения.

Вместо этого, когда небольшой объект, такой как черная дыра или коричневый карлик, случайно проходит перед далекой звездой, мы видим мгновенное увеличение яркости из-за линз вокруг нарушителя. Хотя это действительно очень редкое явление, если вы достаточно долго смотрите на звезды, вы обязательно увидите, как это произойдет. И когда вы это сделаете, вы сможете поймать всех одиноких странников нашего галактического ландшафта, которые иначе не видны.

Вы также можете обнаружить планеты . Когда звезда сама является нарушителем, если она несет какие-либо планеты на орбите вокруг себя, они изменят — пусть даже незначительно — мгновенную яркость во время события микролинзирования.

Наша Вселенная полна мерцающих, сверкающих линз, от самых больших до самых маленьких. И так же, как стеклянные линзы, которые находятся внутри наших телескопов и микроскопов, эти космические линзы позволяют нам видеть части нашей Вселенной, которые в противном случае было бы слишком трудно увидеть.

Поделиться с друзьями: