Гравитационные линзы и красное смещение
Начало Человек  Земля  Вселенная Технологии 

Туманность Андромеды (М31)ПРЕДСКАЗАННЫЙ Эйнштейном в 1916 г. эффект искривления луча света в поле тяготения массивного тела был подтвержден во время полного солнечного затмения уже в 1919 г. Астрономы заметили, что изображения звезд, видимые вблизи края солнечного диска, немного сместились относительно своих обычных мест. Однако мало кто мог ожидать тогда, что этот тончайший эффект, ставший тестом для новой теории тяготения, когда-нибудь породит важнsq научный инструмент -  гравитационные линзы.

 Гравитационными линзами называют астрономическое явление, при котором изображение какого-либо удаленного источника (звезды, галактики, квазара) оказывается искаженным из-за того, что луч зрения между источником и наблюдателем проходит вблизи какого-нибудь притягивающего тела (например, другой звезды, галактики или даже скопления галактик). Таким образом, любое тело способно "собирать" параллельный пучок света в некотором фокусе, совершенно аналогично обычным оптическим линзам. Правда, в отличие от привычных линз, "фокусное расстояние" гравитационных линз оказывается столь большим, что только астрономические объекты большой массы типа звезд или галактик способны создавать заметный эффект. Для наблюдения эффекта гравитационной фокусировки необходим источник излучения, расположенный за скоплением изучаемой массы. Роль далеких и мощных источников света обычно играют квазары (судя по всему, - активные ядра молодых галактик). Гравитационной линзой при этом служит более близкая к нам массивная галактика или целое скопление галактик. 

На изображении, полученном с помощью Космического Телескопа им. Хаббла, видна очень маленькая и слабая галактика, обнаруженная при уникальном сотрудничестве наземных и космических телескопов. На правой картинке видны два, почти идентичных, изображения слабой галатики, сформированные гравитационной линзой. На левой картинке показано скопление галатик Абель 2218, работающее как гравитационная линза Швейцарский астроном Ф.Цвикки (1898 - 1974), работавший в Калифорнийском технологическом институте, - высказал в 37-м году идею о том, что этот эффект можно использовать для оценки формы и масс галактик. Однако задача обнаружения слабых искажений изображений далеких источников оказалась настолько сложной, что лишь в 1979 году была открыта первая гравитационная линза -- изображение квазара Q0957+561 имело своего "двойника" с тем же спектром и красным смещением. Позже удалось отнаблюдать саму линзу -- гигантскую галактику, оказавшуюся на пути между квазаром и нами. Сегодня астрономы обнаружили уже более 20 гравитационнолинзированных квазаров, изображения которых сильно искажены или даже расщеплены гравитационным полем массивного, но сравнительно тусклого объекта.

Фотография квазараЕсли бы массивная галактика имела идеально сферическую форму, а квазар находился прямо за ней, то его точечное изображение превратилось бы в колечко ("кольцо Эйнштейна"). Однако галактики имеют сложную форму, а квазары могут располагаться как угодно, поэтому их изображения в гравитационной линзе обычно представляют систему из нескольких пятен, в простейшем случае - из двух, разделенных расстоянием порядка одной угловой секунды.

Характерная особенность квазаров - довольно быстрое и нерегулярное изменение яркости (по неясным пока причинам). Разумеется, каждое пятно в изображении квазара также изменяет яркость, но с характерной лишь для него задержкой во времени, поскольку свет, формирующий каждое изображение, добирается к нам своим путем. Измеряя задержку между соответствующими колебаниями яркости у двух изображений квазара, составляющую от нескольких месяцев до нескольких лет, легко вычислить разницу в длине путей светового луча. А если удастся определить форму галактики, то по задержке времени можно найти ее истинный размер. Сравнив его с наблюдаемым угловым размером галактики, легко узнать расстояние до нее, а исходя из положения линий в ее спектре - скорость удаления от нас.

Галлактика М83 Однако изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, оказалось гораздо сложнее, чем обнаружить искаженное ее влиянием изображение квазара. Слабое изображение галактики тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они архислабые: не ярче настольной лампы, зажженной на Луне). И все же астрономы взялись за эту задачу. Недавно группа специалистов под руководством Ф.Курбэна (F.Courbin; Институт астрофизики в Льеже и Обсерватория Париж-Медон) обнаружила и детально исследовала на Европейской южной обсерватории в Ла-Силлье (Чили) квазар HE 1104-1805, изображение которого явно указывало на эффект гравитационной линзы. Поиск отклоняющей свет галактики решено было провести в инфракрасном диапазоне спектра, поскольку именно туда сдвинут за счет эффекта Доплера максимум излучения удаляющейся от нас звездной системы. Это яркий пример так называемого красного смещения.

Квазар HE 1104 - 1805 с красным смещением z=2.316 и раздвоенным гравитационной линзой изображением был открыт в 1993 г. В 1995 г. наблюдения в спектральной полосе I (0.9 мкм) выявили между изображениями квазара слабый объект, природа которого осталась невыясненной из-за низкого качества изображений. Зато в 1997 г. изучение этого объекта с помощью новой техники и улучшенной математической обработки значительно продвинулось.

На этот раз астрономы добились углового разрешения 0.27", которое прежде было доступно лишь Космическому телескопу им.Хаббла. Правда, и при этом получить спектр слабой галактики, зажатой между двумя яркими изображениями квазара, не удалось. Но, сравнив ее по цвету с другими, хорошо изученными галактиками, астрономы смогли оценить диапазон возможных красных смещений: 1<z<1.8. А поскольку в спектре квазара были обнаружены линии поглощения объектом с красным смещением z=1.66, стало ясно, что они принадлежат именно галактике-линзе. Так удалось узнать ее красное смещение, которое соответствует скорости около 200 тыс. км/с и расстоянию от 6 до 9 млрд световых лет.

Если галактика-линза действительно расположена на таком расстоянии, то смещение во времени между вариациями блеска двух изображений квазара должно составлять три-четыре года. Измерив эту величину, астрономы через несколько лет смогли бы уточнить постоянную Хаббла. Однако обескураживает одна неожиданность: галактика видна ближе к более яркому изображению квазара, хотя расчет, выполненный для обычной эллиптической галактики, предсказывает противоположное смещение. Судя по всему, в преломлении лучей квазара помимо видимого тела галактики участвует большое скопление какой-то невидимой массы

Вообще квазары оказались неоценимым инструментом практической астрономии ( см. например о тёмной энергии ) или следующую информацию об измерении искажений пространства и времени :

США: осуществлен самый точный астрофизический эксперимент в истории

Астрономам из Австралии и США с помощью радиотелескопа удалось измерить искажения пространства и времени вблизи звезды, находящейся на расстоянии 450 световый лет от Земли, осуществив, таким образом, самый точный астрофизический эксперимент в истории. Объектом исследования ученых стал пульсар J0437-4715. Это наиболее яркий и близкий нам объект подобного типа. Частота его пульсации составляет более 170 раз в секунду. 

Астрономы смогли измерить достижение импульсами Земли с точностью в 100 наносекунд. Столь точные данные вкупе с близостью пульсара позволили ученым впервые точно определить, как орбита исследуемого объекта расположена в пространстве. 

В нормальных условиях, изображения космического тела, получаемые в результате шестимесячной съемки, должны немного различаться, так как Земля перемещается от одной стороны Солнца к другой (параллакс). Для пульсара J0437-4715 подобное отличие было минимально (около четырех миллионных градуса). По окончании обработки более 50000 гигабайт данных, астрономы смогли построить трехмерную модель движения пульсара в пространстве. В ходе этого процесса ученые имели возможность проверить справедливость Общей Теории Относительности Эйнштейна, утверждающей, что массивный объект искажает пространство и время вокруг себя. 

В системе пульсара радиоволны перемещались через искаженное около его белого карлика пространство-время, достигая Земли позднее, чем это должно было быть в нормальных условиях (без искажения). "Точность наших данных такова, что в настоящее время мы решили использовать пульсар для поиска сверхслабых пульсаций в пространственно-временном континууме", заявил работающий над этим проектом профессор Бейлс из Мельбурнского Технологического Института. Астрономы полагают, что такие пульсации появились либо в ходе зарождения Вселенной, либо при слиянии огромных черных дыр.

Красное смещение.

Мерой скорости далеких объектов у астрономов служит красное смещение (z) линий в их спектре. 

Космологическое красное смещение - это наблюдаемое смещение спектральных линий в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Оно выражается безразмерным отношением разницы принятой и испущенной длины волны по отношению к испущенной длине волны. Например, если линия ионизированного водорода Лайман-альфа с длиной волны l1 =1216 Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны l2=4864А, то красное смещение этой галактики
 z=(l2-l1)/l1=3

Красные смещения вызываются эффектом Допплера. Зная красное смещение z, можно определить скорость удаления галактики v. Если скорость галактики v невелика по сравнению со скоростью света c=300000 км/с, она выражается по простой формуле v=c*z. Если измеренное по спектральным линиям z>0.5, скорость v связана с z более сложным образом, но всегда остается меньше скорости света

Поскольку все далекие объекты удаляются от нас, смещение всегда происходит в сторону красной части спектра. С учетом релятивистских эффектов красному смещению z=1 соответствует скорость 180 тыс. км/с; при z=2 - 214.300 км/с; при z=3 - 233.300 км/с и при z=4 - 245.500 км/с. Чем дальше объект, тем быстрее он удаляется от наблюдателя; поэтому красное смещение служит также мерой расстояния до далеких галактик и квазаров. Однако простой связи тут нет, поскольку она определяется историей расширения Вселенной.

В "классической" астрофизике по красному смещению можно определить не только скорость удаления далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние R до нее, воспользовавшись законом Хаббла:V=H*R, где H - постоянная Хаббла.

Следует отметить, что  определение постоянной Хаббла по данным эксперимента является очень трудной задачей. Так как хотя  скорости  по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, но измерение расстояний  до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь различными косвенными методами. Сам Хаббл при оценке расстояний занизил их на порядок, поэтому и получил на порядок большее, чем принято считать сейчас, значение  h (170 вместо 15 км/с на 1 миллион световых лет). Однако многие астрономы и сегодня придерживаются  точки зрения ,  что значение   h заметно больше общепринятого.

У галактик с красным смещением около z=1 максимум излучения смещается из видимой области спектра в близкую инфракрасную, поэтому их удобно наблюдать в спектральной полосе J (длина волны 1.25 мкм), а более далекие галактики легче исследовать в полосе К (2.2 мкм).

 

Почему свет искривляется в поле тяготения.

Частицы света -- фотоны обладают энергией E=hv (здесь h -- постоянная Планка и v -- частота колебаний световой волны). Значит, формально фотон может рассматриваться как частица с "массой" m=E/c2 где c -- скорость света. Поэтому траектория фотона, пролегающая вблизи притягивающего тела, должна отклоняться от прямой линии. Именно этот эффект и наблюдался  впервые английским астрофизиком А.Эддингтоном в 1919 г.: во время полного солнечного затмения. Он наблюдал звезды, которые должны были бы быть закрыты диском Солнца, если бы свет от них распроятранялся по прямой линии. Угол, на который фотоны отклонялись в поле тяжести Солнца, в точности соответствовал предсказаниям теории относительности.

Источники : Научная Сеть Аккумулятор Новостей


Начало Человек  Земля  Вселенная Технологии 

Продолжение следует...
Тайны и загадки  вселенной. НЛО и Следы Богов в Книге ТайнТайны солнечной системы. Все что нам известно о нашем доме.До бессмертия осталось лишь несколько шагов. Именно им и посвящены эти страницы.Где найти то - что необходимо. От расписания транспортных средств и заказа билетов до программы ТВ и лекарств.Тайны оптимизации сети . Как создать сайт в FrontPage 2000 и графику в PhotoShop, что с ними делать дальше и ещё множество интересного на этих страницах

Содержание
TopList
Rambler's Top100