Темная материя гравитационной линзы.

Направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза .

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение нереально. 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 плотности материи.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования 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 . Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза 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 . 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.

Теория

Уравнение 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 :

где η - координата источника, ξ - расстояние от центра линзы до точки преломления (прицельный параметр) в плоскости линзы, D s , D d - расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, D ds - расстояние между линзой и источником, α - угол отклонения, вычисляемый по формуле:

где Σ - поверхностная плотность, вдоль которой "скользит" луч. Если обозначить характерную длину в плоскости линзы за ξ 0 , а соответствующую ей величину в плоскости источника за η 0 =ξ 0 D s /D l и ввести соответствующие безразмерные векторы x=ξ/ξ 0 и y=η/η 0 , то уравнение линзы можно записать в следующем виде:

Тогда, если ввести функцию, называемой потенциалом Ферма , можно записать уравнение следующим образом :

Временную задержку между изображениями также принято записывать через потенциал Ферма :

Иногда удобно выбрать масштаб ξ 0 =D l , тогда x и y это угловое положение изображения и источника соответственно.

См. также

• SDSSJ0946+1006 - система с двойными кольцами Эйнштейна.

Ссылки

Литература

• Захаров А.Ф. Гравитационные линзы и микролинзы. - М .: Янус-К, 1997. - ISBN 5-88929-037-1
• ЧЕРЕПАЩУК А. М. Гравитационное микролинзирование и проблема скрытой массы.

Категории:

• Астрофизика
• Релятивистские и гравитационные явления
• Астрономические явления
• Астрономические объекты, открытые методом гравитационного микролинзирования

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гравитационная линза" в других словарях:

Космич. тело с большой массой, гравитац. поле к рого искривляет (фокусирует) излучение более далёкого объекта, находящегося на одном луче зрения с гравитирующей массой. Г. л. создаёт неск. изображений объекта, в нек рых из к рых происходит… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Гравитационная линза - тело большой массы, влияние которого на движение света похоже на действие обычной линзы, преломляющей лучи за счет изменения оптических свойств среды; отклонение света гравитационным полем предсказано А.Эйнштейном (1915), расчет вида… … Мир Лема - словарь и путеводитель

Гравитационное линзирование света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения,… … Википедия - Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия аудиокнига

В. Жаров, М. Сажин

Гравитационное линзирование в астрономии

С точки зрения физики вещество, окружающее человека в повседневной жизни, состоит из барионов, лептонов и фотонов, т.е. трех типов стабильных частиц. С позиций же астрономии - это один вид материи, называемой видимой. Однако в 30-е гг. XX в. ученые обнаружили так называемую «темную», не видимую телескопами материю. Ее существование доказано измерением скоростей звезд нашей Галактики, а также по вращению других звездных систем. В конце XX в. был открыт еще один вид материи, называемой сейчас «квинтэссенцией». Темная материя и квинтэссенция принципиально разные. И если первую в будущем, вероятно, можно будет исследовать в лабораторных условиях, то вторую - только астрономическими методами.

Оценить количество невидимой материи в какой-либо галактике можно несколькими способами. Один из них - гравитационное линзирование, т.е. использование эффекта искривления лучей, проходящих вблизи массивных объектов.
Что представляет собой этот процесс? Известно, что в природе существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первое отвечает за связь между ядрами и электронами в атоме, обеспечивает силы упругости в твердых телах, трения. Его переносчик - электромагнитное поле, точнее, фотоны, дающие нам основную часть информации о Вселенной. Второе начинает действовать лишь на сверхмалых расстояниях. Третье оказывает влияние на стабильность ядра, связывает в нем протоны и нейтроны. Четвертое стоит особняком, оно универсально: все частицы, независимо от состава, одинаково ускоряются гравитационным полем, что соответствует фундаментальному принципу общей теории относительности. Радиус его действия бесконечен - от лаборатории до масштабов Солнечной системы и даже Вселенной.

Если угловое расстояние между звездой S и телом L меньше конуса Эйнштейна (пунктир),

то изображение далекой звезды S превращается в два "лунных серпа",

зеркально отраженных друг от друга

Доктор физико-математических наук Владимир ЖАРОВ, заведующий кафедрой небесной механики, астрометрии и гравиметрии физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, лауреат Премии им. Рене Декарта (Евросоюз);
доктор физико-математических наук Михаил САЖИН, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова

"Наука в России", № 2, 2007

Гравитационное линзирование – один из интереснейших космических эффектов, который способны вызывать практически все крупные объекты во Вселенной.

Линзирование в скоплении галактик Abell 2218

В действительности, гравитационное линзирование – это эффект, который обладают не только крупные, но и мелкие космические объекты. Суть его заключается в том, что когда наблюдатель смотрит на дальний источник света в космосе через другой космический объект, форма дальнего источника света искажается. Такое искажение источника света может быть вызвано звездой или галактикой, через которую проходит свет от отдаленного объекта.

Существуют также данные, свидетельствующие о том, что искажать свет могут не только звезды и галактики, но и малые астрономические тела, например, планеты. Однако в данном случае искажение будет настолько незначительным, что зафиксировать его можно будет только при помощи сверхмощных оптических приборов, да и то зафиксированная величина будет чисто формальной.

Эффект гравитационного линзирования был обнаружен относительно не так давно. Только с появлением новейших телескопов ученым удалось наблюдать этот интересный эффект и детально исследовать механизм его появления. О том, как происходит механизм линзирования мы поговорим в следующем пункте.

Механизм линзирования

По логике, свет, исходящий от дальнего квазара (одного из наиболее ярких объектов во Вселенной) или галактики в направлении Земли, должен попадать на Землю под прямым углом. Однако в некоторых случаях на пути этого света встречается другая галактика или сверхмассивная звезда, гравитационное поле, которое притягивает к себе электромагнитное излучение, направленное отдаленным объектом. Вследствие этого возникает эффект гравитационного линзирования, которому и посвящена эта статья.

Получается, что свет отдаленного объекта, попадая на галактику, находящуюся между ним и наблюдателем, искажает истинную форму источника, который послал его на Землю. Точно так же делает обычная линза. Свет, попадая на нее, искажается. Если посмотреть через нее на объект, пославший свет, мы увидим, что он стал намного крупнее.

Форма, которую гравитационное линзирование придает отдаленному источнику света, может отличаться, в зависимости от того, через какой объект в космическом пространстве проходят его лучи. Известные примеры искажения формы источника света мы приведем в следующем пункте.

Кольцо и Крест Эйнштейна

Современному научному сообществу известно два возможных результата гравитационного линзирования: Кольцо и Крест Эйнштейна. Оба они зависят оттого, через какую структуру в космосе проходит свет. Если свет поступает к наблюдателю через компактную галактику, форма объекта испустившего луч зрительно увеличивается, кроме того, из точки она превращается в окружность. Именно эту окружность ученые называют Кольцом Эйнштейна.

Второе интересное астрономическое явление – Крест Эйнштейна так же вызвано гравитационным линзированием. Принцип его возникновения аналогичен предыдущему. Разница заключается только в том, что свет от отдаленного объекта проходит не через компактную, а через спиральную галактику. В результате этого мы видим фигуру, своей формой напоминающую крест.

Наиболее интересные гравитационные линзы

Эффект гравитационного линзирования астрономам удалось зафиксировать благодаря мощным оптическим приборам. Среди них орбитальный телескоп Хаббл. К примеру, совсем недавно при помощи телескопа был сделан снимок галактического кластера SDSS J1038+4849, состоящего из двух галактик. Излучение одной галактики проходит через другую в результате чего образуется эффект Эйнштейновского Кольца – одной из разновидностей гравитационного линзирования.

Сливающиеся галактики в удаленной части Вселенной: вид через гравитационную линзу

А вот второй схожий объект был обнаружен уже при помощи телескопа Гершель, который был запущен на орбиту в 2009 году. Данный объект представляет собой галактический кластер со сложно запоминающимся именем – H1429-0028. Этот кластер так же, как и предыдущий, состоит из 2-ух галактик, одна из которых выступает линзой. В данном случае вы так же будете наблюдать Кольцо Эйнштейна.

Если же вам интересно увидеть Эйнштейновский Крест, вам придется воспользоваться сверхмощным телескопом. Наведя его на созвездие Пегаса, вы сможете увидеть Крест, который является производным далекого квазара. По некоторым подсчетам он удален от нас на 11 миллиардов световых лет. Спиральная галактика-линза, благодаря которой мы можем наблюдать подобный эффект находится в 10 раз ближе квазара, практически на одной линии с ним.

1. Эффект гравитационного линзирования упоминается в недавно вышедшем фантастическом фильме «Интерстеллар».
2. Эффекты Эйнштейновского Креста и Кольца названы в честь их первооткрывателя – знаменитого физика Альберта Эйнштейна.
3. Визуально наблюдать гравитационное линзирование можно только в тех случаях, когда масса линзы равняется 10 12 масс нашего Солнца.
4. При помощи гравитационного линзирования можно обнаружить неяркие объекты, а потому и невидимые объекты во Вселенной. Когда свет из отдаленного источника попадаете на такой объект, то как бы вспыхивает. Такой эффект называется гравитационным микролинзированием. С его помощью астрономам удалось обнаружить коричневые карлики, которые нельзя было увидеть другим способом.
5. На сегодняшний день использование эффекта гравитационной линзы – единственный способ обнаружить темный, удаленный объект в космосе.

Содержание статьи

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА – массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения. Этот эффект тяготения называют «линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.

Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей.

Эффект гравитационной линзы был предсказан А.Эйнштейном, который в 1915 в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1,75І в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.

Первый, кто использовал термин «линза», говоря об отклонении электромагнитного луча гравитацией, по-видимому, был английский физик Оливер Лодж (1851–1940), который в 1919 отметил, что «гравитационное поле действует, как линза, но не имеет фокусного расстояния». Он оказался прав: поскольку действие гравитации быстро ослабевает с расстоянием от источника (обратно пропорционально квадрату расстояния), фокусирующее действие гравитационной линзы отличается от действия ее стеклянного аналога. Если обычная линза собирает весь падающий на нее свет в одной точке фокуса, то гравитационная линза только отклоняет лучи к оптической оси, но не может собрать их в едином фокусе: чем дальше проходят лучи от источника гравитации, тем на большем расстоянии от него эти лучи пересекаются. Поэтому фокусирующий эффект простейшей (точечной) гравитационной линзы весьма слаб и не может очень сильно увеличить яркость изображения источника света. Такого же мнения придерживался и знаменитый английский астрофизик А.Эддингтон , не веривший в возможность наблюдения эффекта гравитационной фокусировки.

Однако физики продолжали теоретически изучать этот любопытный эффект. Известный петербургский профессор Орест Даниилович Хвольсон (1852–1934) в 1924 опубликовал в немецком журнале «Astronomische Nachrichten» заметку о том, что луч света далекой звезды может быть отклонен притяжением другой звезды-линзы, в результате чего возникнет второе изображение далекой звезды. Однако он заметил, что угол между этими двумя изображениями будет столь мал, что их нельзя увидеть по отдельности с помощью наземного телескопа. В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникнет изображение типа кольца, отмечал Хвольсон.

В 1935 этим эффектом заинтересовался ленинградский астроном Гавриил Адрианович Тихов (1875–1960). В январе 1936 он прочитал об этом лекции в Ленинграде и Пулкове, а в 1938 опубликовал в журнале «Природа» статью под названием Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд . По совету чешского инженера Р.Мандла в 1936 Эйнштейн рассмотрел гравитационное действие одной звезды на излучение другой. Он вычислил коэффициент усиления света и пришел к выводу, что в случае, когда обе звезды и наблюдатель находятся на одной прямой, изображение далекой звезды будет иметь форму кольца. Подобно другим теоретикам, Эйнштейн не верил в возможность экспериментального обнаружения эффекта гравитационной линзы в приложении к обычным звездам, поскольку более близкая к наблюдателю звезда-линза мешает своим излучением разглядеть искаженное и слабое изображение более далекой звезды. В своей статье Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле , опубликованной в журнале «Science» в 1936, Эйнштейн писал: «Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление».

Более поздние работы показали, что ситуация со звездой-линзой еще хуже, чем думал Эйнштейн: любое отклонение формы звезды от идеального шара, например, вызванное ее вращением, только затруднит обнаружение эффекта. И все же эффект был обнаружен.

Межгалактические гравитационные линзы.

В 1937 астроном Ф.Цвикки теоретически пришел к выводу, что эффект гравитационной фокусировки света можно наблюдать в том случае, если линзой является галактика, поскольку ее гравитационное поле очень велико, а средняя поверхностная яркость довольно мала и поэтому не должна сильно мешать наблюдению.

В 1979 английские астрономы Д.Волш и др. впервые обнаружили двойной квазар (QSO 0957+16 A,B) с угловым расстоянием между компонентами A и B около 6І. Красное смещение линий в спектрах обоих компонентов оказалось одинаковым. А когда выяснилось, что оба квазара изменяют свой блеск синхронно, астрономы поняли, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту гравитационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу – далекую галактику, лежащую между Землей и квазаром. Так впервые был обнаружен эффект гравитационного линзирования. Предсказание Цвикки подтвердилось.

К началу 21 в. было найдено уже несколько десятков гравитационных линз. Форма даваемого ими изображения зависит от того, насколько симметрично распределена масса в объекте-линзе и насколько точно на одной прямой располагаются Земля, линза и наблюдаемый сквозь нее светящийся объект. В идеальном случае его изображение должно иметь форму кольце вокруг центра линзы; такое изображение называют «кольцом Эйнштейна» или «кольцом Хвольсона-Эйнштейна». Некоторые из обнаруженных астрономами изображений действительно имеют форму ровного или разорванного кольца, которое возникает при смещении объекта наблюдения относительно линии «Земля – линза».

Для астрономов изучение эффекта гравитационного линзирования важно потому, что оно позволяет выявить массу в любой ее форме – как видимой, так и невидимой. Известно, что многие галактики окружены протяженными коронами из невидимого вещества неизвестного типа. В крупных скоплениях галактик также замечено присутствие «скрытой массы», природа которой неизвестна. Исследуя изображения далеких квазаров, возникшие в результате эффекта гравитационного линзирования, можно весьма детально восстановить распределение темного вещества в коронах галактик и между галактиками.

Переменность блеска, присущая многим квазарам, позволяет с помощью эффекта гравитационной линзы определять постоянную Хаббла , указывающую скорость расширения Вселенной. Для этого измеряют запаздывание во времени, с которым меняют свой блеск разные изображения одного квазара, созданные линзой. Это дает истинную разницу длины световых путей у разных изображений. А относительную разницу дает расчет геометрии лучей по взаимному положению изображений. Вместе это позволяет вычислить истинное расстояние как до линзы, так и до квазара и, следовательно, определить постоянную Хаббла (поскольку скорости объектов легко измеряются по красному смещению линий в их спектрах).

Звездные гравитационные микролинзы.

Вполне возможно, что эффект гравитационной линзы поможет не только выявить невидимое вещество в галактиках, но и понять его природу. Это очень важная задача, поскольку астрономы до сих пор не знают, из чего состоит невидимая корона Галактики, содержащая большую часть ее массы. В какие объекты «расфасована» эта загадочная масса? В принципе, это может быть что угодно – от мельчайших субъядерных частиц (например, нейтрино) до гигантских черных дыр с массами в миллионы масс Солнца? Как определить массу отдельных невидимых носителей скрытой массы? Очевидно, нужно заметить действие их гравитационного поля на другие, видимые объекты.

Было предложено немало идей, как это сделать: маленькие невидимые объекты могут попадать в звезды и планеты, очень крупные невидимки сами могут притягивать к себе звезды и даже, как черные дыры, «глотать» их. Не найдя явных следов таких событий, астрономы решили устроить «засаду» на объекты-невидимки, используя эффект гравитационной линзы: предполагалось искать искажение изображений отдельных звезд. Эту идею одним из первых разработал московский физик А.В.Бялко в конце 1960-х. Поскольку масштаб явления ожидался существенно меньший, чем в мире квазаров и скоплений галактик, то ожидаемый эффект назвали «гравитационным микролинзированием».

В 1990-е годы началось сразу несколько экспериментов по поиску носителей невидимой массы с использованием эффекта гравитационного микролинзирования: польско-американский эксперимент OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), американо-австралийский MACHO (Massive Compact Halo Object) и французский EROS (Experience de Recherche d"Objets Sombres). В каждом из них практически непрерывно измерялась яркость тысяч звезд в надежде, что проходящий между Землей и наблюдаемой звездой невидимый объект своим гравитационным полем исказит ее изображение и изменит его яркость. Именно однократная спонтанная переменность блеска звезды должна указывать на то, что это гравитационный эффект случайного пролета невидимого тела, а не обычная для многих звезд переменность светимости.

За прошедшие годы в указанных экспериментах зафиксировано множество подозрительных случаев, но с выводами астрономы не спешат: нужно накопить большой материал, чтобы данные о невидимых объектах стали надежными. Впрочем, затраченные на эти эксперименты усилия уже окупились: регулярное наблюдение за тысячами звезд помогло выявить среди них множество новых переменных и детально изучить их поведение. Для астрономов, исследующих жизнь обычных звезд, это очень ценная информация. Во время этих же наблюдений были открыты некоторые экзопланеты по вызываемому ими затмению при пролете перед диском звезды. Но все же есть надежда, что и носители скрытой массы будут надежно выявлены в этих экспериментах. Ведь непонятая до сих пор природа невидимого вещества Вселенной – это вызов для современной науки!

В перспективе эффект гравитационной фокусировки найдет более широкое применение в астрофизике. Например, для некоторых типов излучения и частиц, способных проникать сквозь звезды, последние могут служить очень мощными усилителями потока. Например, для гравитационных волн и нейтрино Солнце может играть роль хорошего концентратора. Надо лишь разместить приемную аппаратуру в его фокусе, удаленном от Солнца на 550 астрономических единиц. Такие проекты уже существуют.

Владимир Сурдин

Направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как обычная линза изменяет направление светового луча.

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например 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 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 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 . 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 . 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

Описание

Существует три класса гравитационных линз :

1. Сильное гравитационное линзирование, вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения.
2. 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 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 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.
3. Микролинзирование не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды Млечного Пути их планеты, а источником света - звёзды отдалённых галактик или квазары , 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, белых карликов) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является одним из методов поиска экзопланет .

Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды электромагнитного излучения , не только на видимый свет. Помимо вышеописанных обзоров галактик, слабое линзирование может изучаться по его влиянию на космическое микроволновое фоновое излучение . Сильное линзирование наблюдалось в радио- и 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 сверхбольшой антенной решётки 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 вселенной. [ ]

Подобное исследование с южного полушария позволило бы нам сделать большой шаг к завершению исследований с северного полушария, а также к выявлению новых объектов для изучения. Если такое исследование будет проведено при помощи хорошо откалиброванных и хорошо настроенных инструментов и данных, то можно ожидать результата, подобным тому, что было получено в ходе исследования с 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, что использовали в северном полушарии, стоит ожидать хороших результатов исследования. AT20G работает на частоте до 20 ГГц в радио полях электромагнитного спектра. Так как используется высокая частота, шансы найти гравитационные линзы вырастает, 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. [ ]

В 2009 г. в статье в Science Daily [где? ] группа учёных, возглавляемая космологом [кем? ] из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли , шагнула вперёд в использовании гравитационного линзирования для изучения более старых и меньших по размеру объектов, чем было возможно изучить ранее. Учёные утверждают, что слабое гравитационное линзирование улучшает качество измерений отдалённых галактик. [ ]

Теория

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 :

η = D s D d ξ − D d s α ^ (ξ) {\displaystyle \eta ={\frac {D_{s}}{D_{d}}}\xi -D_{ds}{\hat {\alpha }}(\xi)}

где η - координата источника, ξ - расстояние от центра линзы до точки преломления (прицельный параметр) в плоскости линзы, D s , D d - расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, D ds - расстояние между линзой и источником, α - угол отклонения, вычисляемый по формуле:

α = 4 G c ∫ R 2 (ξ i − ξ ′) Σ (ξ) | ξ i − ξ ′ | 2 , {\displaystyle \alpha ={\frac {4G}{c}}\int _{R^{2}}{\frac {(\xi _{i}-\xi ")\Sigma (\xi)}{|\xi _{i}-\xi "|^{2}}},}