Большинство людей знакомы с инструментами астрономии: телескопами, специализированными приборами и базами данных. Астрономы используют их, а также некоторые специальные методы для наблюдения за отдаленными объектами. Один из тех методов называется «гравитационное линзирование».
Этот метод опирается просто на своеобразное поведение света, проходящего вблизи массивных объектов. Гравитация этих областей, обычно содержащих гигантские галактики или скопления галактик, увеличивает свет от очень далеких звезд, галактик и квазаров. Наблюдения с использованием гравитационного линзирования помогают астрономам исследовать объекты, которые существовали в самые ранние эпохи Вселенной. Они также показывают существование планет вокруг далеких звезд. Странно, они также раскрывают распределение темная материя которая пронизывает вселенную.
Концепция гравитационного линзирования проста: все во вселенной имеет массу и эта масса имеет гравитационное притяжение. Если объект достаточно массивный, его сильное гравитационное притяжение изгибает свет при прохождении. Гравитационное поле очень массивного объекта, такого как планета, звезда или галактика, или скопление галактик, или даже черная дыра, сильнее притягивает объекты в близлежащем пространстве. Например, когда лучи света от более отдаленного объекта проходят мимо, они захватываются в гравитационном поле, изгибаются и перефокусируются. Перефокусированное «изображение» обычно представляет собой искаженное представление о более удаленных объектах. В некоторых крайних случаях целые фоновые галактики (например) могут в конечном итоге искажаться в длинные тощие банановидные формы под действием гравитационной линзы.
Идея гравитационного линзирования впервые была предложена в Теория относительности Эйнштейна. Около 1912 года сам Эйнштейн вычислил, как свет отклоняется при прохождении через гравитационное поле Солнца. Впоследствии его идея была проверена астрономами во время полного солнечного затмения в мае 1919 года. Артур Эддингтон, Фрэнк Дайсон и группа наблюдателей, размещенные в городах по всей Южной Америке и Бразилия. Их наблюдения доказали, что гравитационное линзирование существовало. Хотя гравитационное линзирование существовало на протяжении всей истории, можно с уверенностью сказать, что оно было впервые открыто в начале 1900-х годов. Сегодня он используется для изучения многих явлений и объектов в далекой вселенной. Звезды и планеты могут вызывать эффекты гравитационного линзирования, хотя их трудно обнаружить. Гравитационные поля галактик и скоплений галактик могут создавать более заметные эффекты линзирования. И теперь оказывается, что темная материя (которая имеет гравитационный эффект) также вызывает линзирование.
Теперь, когда астрономы могут наблюдать линзирование по всей вселенной, они разделили такие явления на два типа: сильный линзы и слабые линзы. Сильные линзы довольно легко понять - если это можно увидеть человеческим глазом на изображении (скажем, из Космический телескоп Хаббл), то это сильно. С другой стороны, слабые линзы не обнаруживаются невооруженным глазом. Астрономы должны использовать специальные методы, чтобы наблюдать и анализировать процесс.
Из-за существования темной материи все отдаленные галактики немного слаболинзовые. Слабое линзирование используется для обнаружения количества темной материи в заданном направлении в пространстве. Это невероятно полезный инструмент для астрономов, помогающий им понять распределение темной материи в космосе. Сильные линзы также позволяют им видеть далекие галактики такими, какими они были в далеком прошлом, что дает им хорошее представление о том, какими были условия миллиардов лет назад. Он также увеличивает свет от очень далеких объектов, таких как самые ранние галактики, и часто дает астрономам представление о деятельности галактик в молодости.
Другой тип линзирования, называемый «микролинзированием», обычно вызывается звездой, проходящей перед другой или против более удаленного объекта. Форма объекта может быть не искажена, как при более сильном линзировании, но интенсивность света колеблется. Это говорит астрономам, что микролинзирование, вероятно, было связано. Интересно, что планеты также могут участвовать в микролинзировании, когда они проходят между нами и их звездами.
Гравитационное линзирование происходит на всех длинах волн света, от радио и инфракрасного до видимого и ультрафиолетового, что имеет смысл, так как все они являются частью спектра электромагнитного излучения, которое омывает Вселенная.
Первая гравитационная линза (кроме эксперимента по линзированию затмения 1919 года) была открыта в 1979 году, когда астрономы смотрели на что-то, что называется «Двойное QSO». QSO - сокращение от «квазизвездный объект» или квазар. Первоначально эти астрономы думали, что этот объект может быть парой квазаров-близнецов. После тщательных наблюдений с использованием Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне астрономы смогли выяснить, что не было двух одинаковых квазаров (отдаленных очень активные галактики) рядом друг с другом в космосе. Вместо этого они были фактически двумя изображениями более отдаленного квазара, которые были получены, когда свет квазара проходил вблизи очень массивной гравитации вдоль пути его движения. Это наблюдение было сделано в оптическом свете (видимом свете) и позже было подтверждено радионаблюдениями с использованием Очень большой массив в Нью-Мексико.
С тех пор было открыто много объектов с гравитационной линзой. Самыми известными являются кольца Эйнштейна, которые представляют собой линзовые объекты, свет которых образует «кольцо» вокруг линзирующего объекта. В случайном случае, когда удаленный источник, объект линзирования и телескопы на Земле объединяются, астрономы могут видеть кольцо света. Они называются «кольцами Эйнштейна», названными, конечно, для ученого, работа которого предсказывала явление гравитационного линзирования.
Другим известным линзовым объектом является квазар, называемый Q2237 + 030, или крест Эйнштейна. Когда свет квазара в 8 миллиардах световых лет от Земли прошел через галактику продолговатой формы, он создал эту странную форму. Появились четыре изображения квазара (пятое изображение в центре не видно невооруженным глазом), создавая ромбовидную или крестообразную форму. Линзационная галактика намного ближе к Земле, чем квазар, на расстоянии около 400 миллионов световых лет. Этот объект наблюдался несколько раз Космический телескоп Хаббл.
В масштабе космического расстояния, Космический телескоп Хаббл регулярно снимает другие изображения гравитационного линзирования. Во многих своих взглядах далекие галактики размазаны по дугам. Астрономы используют эти формы для определения распределения массы в скоплениях галактик, выполняющих линзирование, или для определения распределения темной материи. Хотя эти галактики, как правило, слишком слабые, чтобы их можно было легко увидеть, гравитационное линзирование делает их видимыми, передавая информацию через миллиарды световых лет для изучения астрономами.
Астрономы продолжают изучать эффекты линзирования, особенно когда речь идет о черных дырах. Их интенсивная гравитация также линз освещает, как показано в этом моделировании, используя изображение неба HST для демонстрации.