Tra tutte le sorprendenti conseguenze della relatività generale (GR), sviluppata da Albert Einstein (1879-1955) nel 1916, la previsione delle lenti gravitazionali si è rivelata non la più notevole per il grande pubblico. E questo è del tutto naturale, poiché non ha colpito l'immaginazione né con la possibilità che ognuno diventi più giovane dei suoi coetanei, muovendosi a una velocità prossima a quella della luce (il paradosso dei gemelli), né ritrovandosi nel passato, muovendosi a una velocità superiore a quella della luce, ovvero trasportava istantaneamente centinaia e migliaia di parsec lungo i cosiddetti "wormhole". Le lenti gravitazionali si sono rivelate molto meno misteriose dei buchi neri, che in un certo senso sono diventati un simbolo della scienza del XX secolo, o "Big Bang", così chiamato per derisione, ma si sono trasformati nella principale metafora della rottura rivoluzionaria di eventuali stereotipi. Dal punto di vista del grande pubblico, i meriti delle lenti gravitazionali nella scienza moderna sono invisibili, sebbene dal punto di vista della scienza stessa questi meriti siano molto significativi. È anche interessante che la scoperta e l'uso delle lenti gravitazionali siano state "ritardate" per diversi decenni - fu previsto dallo stesso Einstein poco dopo la creazione della relatività generale, e fu scoperto solo nel 1979.

Questo fenomeno si basa sull'effetto della curvatura dello spazio vicino a un corpo massiccio, e quindi sull'effetto della curvatura dei raggi luminosi. Per visualizzare come ciò avvenga, di solito si consiglia di cavarsela con due sole dimensioni spaziali e raffigurare l'intero cosmo con un foglio di carta o, meglio ancora, con un pezzo di stoffa teso su un telaio rigido. In assenza di un corpo massiccio su questa superficie, rimane uniforme e piatta, ma in caso di apparizione di tale, la nostra superficie si deforma, piegandosi (curvandosi) sotto il suo peso.

L'effetto della deflessione del raggio di una stella lontana nel campo gravitazionale del Sole è stata la prima conferma osservata della relatività generale. La scoperta nel 1919 dell'effetto di piegare un raggio di luce quantitativamente coincise con i calcoli teorici della relatività generale: questo è ciò che rese immediatamente Einstein una celebrità. Fu un trionfo della teoria generale della relatività, che, senza dubbio, portò un'enorme carica rivoluzionaria, cambiando radicalmente le nostre idee su spazio, tempo, materia. Il London Times è stato il primo a riferire della sensazione, e la stampa di Olanda, Germania, Svizzera, Stati Uniti, Spagna, Brasile e molti altri paesi ha risposto immediatamente con un'eco.

Solo una sfortunata coincidenza di circostanze è responsabile del fatto che la storia di questa sensazione non ha nulla a che fare con l'Impero russo. I primi tentativi di rilevare la curvatura di un raggio luminoso da una traiettoria rettilinea furono fatti ancor prima dell'ormai famosa pubblicazione del 1917. Ha già fornito una stima numerica, ed Einstein ha espresso prima considerazioni generali sulla curvatura dello spazio. In un primo momento, le osservazioni dell'eclissi solare totale del 1912 in Argentina furono impedite dalle piogge, e due anni dopo, per osservare l'eclisse del 21 agosto 1914, fu attrezzata una spedizione speciale dalla Germania alla Crimea all'osservatorio di Simeiz, finanziata dal famoso magnate tedesco Gustav Krupp (Gustav Krupp von Bohlen und Halbach, 1870 –1950). Tuttavia, lo scoppio della prima guerra mondiale rese impossibile il lavoro: alcuni membri della spedizione lasciarono immediatamente la Russia, altri furono arrestati dalle autorità russe. Inizia la guerra un mese dopo...

Tuttavia, la curvatura dello spazio da sola non è sufficiente per la lente gravitazionale: deve essere curvata in modo tale da poter mettere a fuoco il raggio proveniente da una stella lontana. Ecco perché l'effetto è stato scoperto solo 60 anni dopo la previsione teorica. Ma, oltre alle peculiarità dell'obiettivo stesso, c'erano difficoltà associate allo sviluppo della tecnologia osservativa. Fino alla metà del XX secolo, l'astronomia osservativa extragalattica faceva solo i primi passi nell'astronomia osservativa. La probabilità di lensing sulle stelle, cioè la coincidenza di una stella lens e di un oggetto lensed (una stella che funge da sorgente luminosa) su una linea di vista, è trascurabile - è espressa come un numero con 18 zeri dopo il decimale punto. E per le galassie è molto più grande, come confermato dalle osservazioni del 1979. Da quel momento, la lente gravitazionale è diventata un altro strumento efficace ed efficiente per comprendere l'Universo.

Il corso dei raggi in una lente cosmica

Il valore principale della lente gravitazionale è che fornisce informazioni non solo e non tanto sull'oggetto osservato, la cui immagine è distorta dall'obiettivo, ma sull'obiettivo stesso, le sue proprietà e parametri. In totale, ci sono due tipi di lente: forte e debole. Con una lente debole, l'obiettivo distorce solo la forma e le posizioni apparenti di oggetti distanti. Con una lente forte, l'influenza dell'obiettivo è così forte che l'immagine della sorgente osservata attraverso l'obiettivo viene suddivisa in diverse immagini che formano anelli, archi e altre forme più complesse. Avendo un'immagine "fatta" da una lente forte, possiamo restituire la massa della sua parte centrale, e quindi, se si usa come lente un ammasso di galassie, la massa della parte centrale dell'ammasso. Usando il lensing debole, possiamo stimare con un certo grado di affidabilità la forma (allungamento) di sorgenti distanti lente da un ammasso di galassie, e da questo possiamo ricavare la distribuzione spaziale della massa della lente.

Naturalmente, i risultati della stima delle masse delle galassie lente e dei loro ammassi sono di per sé di sicuro interesse per l'astronomia extragalattica, ma questo interesse aumenta notevolmente quando diventa possibile utilizzare i risultati ottenuti per risolvere altri problemi urgenti della fisica moderna e della cosmologia. Uno di questi problemi è il problema della materia oscura. Nell'ultimo quarto del XX secolo, è stato stabilito in modo affidabile, in particolare, dalla dinamica del moto di galassie e ammassi durante la loro interazione gravitazionale, dove è arrivata una stima indipendente e non dinamica delle masse di galassie e ammassi utile, che la materia visibile (stelle e gas e nubi di polvere) è la parte osservata dell'Universo non è superiore al 5%, mentre la materia invisibile è circa 5 volte più grande.

Inizialmente, gli esperti hanno espresso la speranza di spiegare l'esistenza di una tale massa nascosta con l'esistenza di oggetti astronomici invisibili che non sono fonti di alcuna radiazione, come polvere e gas cosmici freddi, sistemi planetari attorno alle stelle, buchi neri. Tali oggetti sono ancora considerati materia oscura, ma ora ci sono motivi per ritenere che non siano sufficienti per ottenere il valore "corretto" della densità della materia oscura, quindi dobbiamo cercare nuovi "candidati" per il titolo di "oscura importa". Queste sono, prima di tutto, massicce ipotetiche particelle debolmente interagenti, che, se hanno una grande massa, possono essere neutrini, neutrini stessi, se la loro massa è piccola, ipotetiche particelle di piccola massa assioni, particelle la cui esistenza deriva dalla teoria di supersimmetria, ipotetiche particelle superpesanti e, infine, una sostanza auto-interagente. Presumibilmente, una parte significativa di tutte queste particelle si trova in vasti aloni galattici. Quale di questi "candidati" domina nella regione osservabile dell'Universo, quali sono semplicemente presenti - tutte queste domande dovrebbero essere risolte mediante lo sviluppo di modelli teorici appropriati e osservazioni astronomiche sistematiche. E qui la grande speranza è riposta sulle lenti gravitazionali! Nonostante tutta la loro imperfezione ottica, anche rispetto alle lenti degli occhiali ordinari, permettono di "vedere" l'invisibile - una sostanza che non emette in nessuna delle gamme ottiche, tuttavia devia i raggi luminosi provenienti da oggetti più distanti, dividendo e distorcere le loro immagini.

Azioni oscure

L'osservazione del lensing delle galassie o dei loro ammassi è molto utile, ma non fornisce risposte a tutte le domande sulla materia oscura. Tuttavia, l'Universo ha avuto pietà di noi, dandoci l'opportunità di osservare un fenomeno straordinario: l'interazione o, più correttamente, la collisione di ammassi di galassie. Qualunque sia il modello di materia oscura che adottiamo, per esso saranno possibili analogie idrodinamiche che descrivono collisioni di volumi finiti di liquido o gas. Si è scoperto che tali analogie non sono solo appropriate, ma anche abbastanza efficaci. Infatti, chi di noi non è stato affascinato da bambino dagli schizzi che si verificano quando le gocce cadono in una tazza d'acqua. È noto come i cerchi si disperdono sulla superficie dell'acqua. Ovviamente, qui sta accadendo qualcosa di simile: sebbene il processo di collisione stesso sia piuttosto complicato, ma il suo risultato - ovviamente, dopo un'adeguata elaborazione delle immagini - può essere visto in prima persona.

Il meccanismo di formazione della forma ad anello - chiamato anche anello di Einstein - è lo stesso di quello degli anelli sulla superficie dell'acqua: l'interazione di due matrici di particelle. Tuttavia, la sua natura è completamente diversa: le sue particelle sono particelle di quella sostanza oscura molto misteriosa che preoccupa così tanto le menti dei ricercatori moderni. Sfortunatamente, il fenomeno dell'osservazione (nel senso che avviene lungo la linea di vista) di tale interazione è ancora unico nell'Universo e ci è noto al singolare. Questa unicità risiede non solo in un piccolo numero di ammassi di galassie interagenti, ma anche nella loro capacità di "essere una lente", cioè in presenza di oggetti dietro di loro - sorgenti luminose che si troverebbero a una distanza accettabile dal asse ottico della lente. La probabilità di una tale combinazione è estremamente piccola e possiamo solo sperare che "quello che è successo una volta, forse due", e prima o poi gli astronomi saranno fortunati ad osservare questo fenomeno.

Oltre alla ricerca della materia oscura, le lenti gravitazionali possono essere utilizzate anche come altre "applicazioni" astrofisiche o cosmologiche della relatività generale. Uno di questi è la misurazione della costante di Hubble. Se la luminosità di un oggetto con lente (quasar) cambia nel tempo, questi cambiamenti saranno osservati in ciascuno dei suoi componenti con lente. Poiché i raggi di luce che formano le immagini dei componenti si propagano lungo diversi percorsi ottici, le variazioni nella luminosità della sorgente saranno osservate nelle sue immagini lente non simultaneamente, ma con un certo ritardo (o anticipo) l'una rispetto all'altra. Con curve di luce sufficientemente accurate per i componenti, è possibile stimare il tempo di ritardo. Se si misurano gli spostamenti verso il rosso dell'oggetto e della lente gravitazionale e si conosce la distribuzione della massa nella lente, si possono ottenere stime teoriche dei tempi di ritardo previsti. Il confronto dei tempi di ritardo previsti e misurati consente di stimare la costante di Hubble. Questa è una delle costanti fisiche più importanti, che determina la scala del "righello" con cui gli astronomi misurano le dimensioni del nostro universo.

Un'altra applicazione del lensing gravitazionale è il microlensing dei quasar. Le prime osservazioni regolari dei quasar Q2237+0305 e Q0957+561 hanno dimostrato che questi oggetti molto distanti sono piuttosto "vivi" e dinamici: i cambiamenti nella luminosità dei loro componenti si osservano a intervalli di diversi anni o addirittura mesi. Queste variazioni sono causate da eventi di microlensing, che si manifestano in miglioramenti locali della luminosità di singoli componenti di quasar con lente gravitazionale, oggetti della galassia lensing - stelle e/o pianeti. A causa della presenza del moto relativo nel sistema “quasar - galassia lente (lente) - osservatore”, le posizioni visibili delle immagini divise dalla galassia macrolente in tempi diversi vengono proiettate in modi diversi sul piano della galassia e, per così dire, scansiona la sua immagine. In questo caso, se a un certo punto un oggetto galattico (stella) si trova vicino alla linea di vista in direzione di uno dei componenti, la sua immagine viene ulteriormente riflessa da questo oggetto. Le risultanti scissioni dei componenti dell'ordine di diversi microsecondi d'arco non possono essere osservate con mezzi moderni, ma i cambiamenti di luminosità possono essere rilevati dalla fotometria di un tale oggetto. La frequenza di tali eventi è determinata dalla velocità trasversale relativa del sistema "quasar-lente-osservatore" e dalla densità superficiale degli oggetti, mentre le variazioni di luminosità osservate quantitativamente sono determinate dalle masse degli oggetti lensing e dipendono essenzialmente dalla dimensione della sorgente con lente. Le osservazioni di eventi di microlensing offrono un'opportunità unica per misurare la dimensione caratteristica di un quasar e studiare le caratteristiche degli oggetti in una galassia lensing con una risoluzione angolare inaccessibile a qualsiasi altro metodo.

Notizie sui partner

un corpo massiccio che piega la direzione di propagazione della radiazione che gli passa accanto per il suo campo gravitazionale. Questo effetto gravitazionale è chiamato "lente" perché dietro di esso si concentra un raggio parallelo di radiazione che passa accanto a un corpo massiccio, proprio come si concentra un raggio di luce quando passa attraverso una lente positiva di vetro. In linea di principio, qualsiasi corpo può svolgere il ruolo di lente gravitazionale, ma in pratica solo un corpo molto massiccio, come un grande pianeta o una stella, così come un grande sistema di corpi, come una galassia o un ammasso di galassie, può causare una notevole flessione dei raggi. La lente gravitazionale influenza ugualmente tutti i tipi di radiazione elettromagnetica e i flussi di particelle relativistici.

Bliokh P.V., Minakov A.A. Lenti a gravità. Priroda, n. 11, 1982
Sazhin M.V., Surdin V.G. . Strumenti astronomici creati dalla natura. "Terra e universo", 1983, n. 5
Turner EL lenti gravitazionali."Nel mondo della scienza", 1988, n. 9
Bliokh P.V., Minakov A.A. Lenti a gravità. Kiev: Naukova Dumka, 1989
Bliokh P.V., Minakov A.A. Lenti a gravità. Mosca: Conoscenza, 1990
Focalizzazione gravitazionale. Priroda, 1994, n. 11
Zacharov A.F. Lenti gravitazionali e microlenti. M.: Giano, 1997
Surdin V.G. Ritratto dell'Universo attraverso una lente gravitazionale. "Il potere della conoscenza", 1998, n.9/10

Trova " LENTE GRAVITAZIONALE" sul

Gravità [Dalle sfere di cristallo ai wormhole] Petrov Alexander Nikolaevich

Lenti a gravità

Lenti a gravità

Perché i pappagalli sono numerati uno, due e tre... così simili tra loro?

Arkady Strugatsky, Boris Strugatsky "Il lunedì inizia il sabato"

Con il concetto di "lente gravitazionale", che abbiamo introdotto sopra, si stanno rapidamente sviluppando aree di ricerca in astrofisica e cosmologia. Tra gli scienziati russi, Mikhail Sazhin e Alexander Zakharov sono teorici e ricercatori attivi in ​​​​questo campo. La presentazione di questa parte corrisponderà in gran parte all'articolo di Zakharov "Lenti gravitazionali" sul sito pereplet.ru.

Apparentemente il primo ad usare il termine "lente" per deviare un raggio di luce dal campo gravitazionale di un corpo fu il fisico inglese Oliver Lodge (1851-1949) nel 1919. Tuttavia, ha osservato che "il campo gravitazionale si comporta come una lente, ma non ha una lunghezza focale". Il fisico di Pietroburgo Orest Khvolson (1852-1934) pubblicò una breve nota nel 1924, in cui osservava che nel caso in cui si considera la deflessione di un raggio di luce da una stella lontana da parte di una stella lente, una seconda immagine della stella sullo sfondo può apparire, ma l'angolo tra le due immagini è così piccolo che queste immagini non possono essere risolte con un telescopio terrestre. Nel caso in cui l'osservatore, l'obiettivo e la sorgente si trovino sulla stessa linea retta, appare un'immagine del tipo ad anello.

Einstein pubblicò risultati simili nel 1936, dove descrisse anche l'aspetto di un anello se l'osservatore, la lente e la sorgente si trovano sulla stessa linea. Questi risultati sono meglio conosciuti, forse perché la rivista Science, che ha pubblicato l'articolo di Einstein, è più popolare della rivista astronomica di Potsdam Astronomische Nachrichten, che ha pubblicato l'articolo di Chwolson. Pertanto, gli anelli della lente gravitazionale sono solitamente chiamati "anelli di Einstein", molto meno spesso "anelli di Khwolson-Einstein". Einstein ha anche osservato che "naturalmente non si può sperare di poter osservare direttamente questo fenomeno". Va detto, tuttavia, che sia Khwolson che Einstein hanno considerato il caso in cui sia la sorgente che la lente gravitazionale sono stelle.

Tuttavia, nel 1937, l'astronomo americano di origine svizzera Fritz Zwicky (1898–1974) giunse alla conclusione che l'effetto poteva essere osservato se la sorgente fosse una lontana galassia luminosa e la lente gravitazionale fosse una galassia vicina. Nella pubblicazione fa riferimento alle idee del nostro connazionale, rappresentante della prima emigrazione russa, l'ingegnere Vladimir Zvorykin (1888-1982), il creatore della televisione moderna, e dell'ingegnere ceco Rudy Mandl. Einstein ha scritto la stessa cosa nel suo articolo: “Qualche tempo fa, Rudy Mandl è venuto a trovarmi e mi ha chiesto di pubblicare i risultati di un piccolo calcolo che ho eseguito su sua richiesta. Cedendo al suo desiderio, ho deciso di pubblicare questa nota. Quindi, forse c'è stata una lotta per le priorità, ma i ricercatori si sono comportati in modo molto corretto rispetto alle idee e ai risultati di altre persone. E il collegamento di Zwicky dimostra l'ampia influenza della scuola scientifica russa sullo sviluppo della scienza mondiale.

Quanto fosse fruttuosa l'osservazione di Zworykin, e certamente la successiva analisi di Zwicky, divenne chiaro più di quarant'anni dopo. Nel 1979 un gruppo di astronomi britannici scoprì la prima lente gravitazionale osservando il quasar binario QSO 0957+16 A, B: la distanza angolare tra le immagini è di circa 6 ? , e la galassia era la lente gravitazionale, Fig. 7.4. In questo modo, La previsione di Zwicky si è avverata. Ad oggi sono stati scoperti più di cinquanta oggetti che rappresentano il risultato del lensing gravitazionale, e questo numero è in continua crescita. Il notevole cosmologo, astrofisico, fisico teorico Yakov Zeldovich (1914–1987), fig. 7.5, con la sua più ampia visione scientifica, non poteva non apprezzare l'importanza di questa scoperta e su di essa attirò l'attenzione di uno dei suoi studenti, Mikhail Sazhin. Ora continuano attivamente sia lo studio teorico di questo fenomeno che la ricerca di nuove prove osservative.

Riso. 7.4. Prima lente gravitazionale

Ora parliamo della fisica del fenomeno. Infatti, come notato da Lodge, le lenti gravitazionali non hanno una "lunghezza focale" nel senso delle lenti ottiche. Pertanto, la loro azione è alquanto insolita. Inoltre "raccolgono" la luce, in determinate condizioni questo porta ad un aumento della luminosità dell'oggetto osservato. Ma la loro manifestazione più importante è la "costruzione" Due, e qualche volta più immagini questo oggetto. Passiamo allo schema di Fig. 7.6. Illustra come funziona una lente gravitazionale puntiforme. L'effettivo oggetto di osservazione (quasar) si trova nel punto S, lente a punto D, e l'osservatore è al punto O.

Riso. 7.5. Yakov Zel'dovich

Due raggi (linee spesse) vengono deviati dalla lente in modo che l'osservatore veda due immagini del quasar sulla sfera celeste: i punti S 1 e S 2 .

Se la sorgente puntiforme è Esattamente sull'asse di simmetria, l'immagine è un anello, di cui si è discusso nelle opere di Chwolson ed Einstein. Tuttavia, è impossibile osservare un tale anello nella realtà nel caso di una sorgente puntiforme, poiché con la minima modifica dei parametri, l'anello scompare e compaiono due immagini puntiformi.

Molto spesso, le lenti gravitazionali possono essere rilevate osservando coppie di quasar che hanno spettri simili e la variabilità temporale dei componenti, differendo solo nel time shift, che può assumere valori per diverse coppie di immagini da diversi giorni a diversi anni!

Riso. 7.6. Geometria di una lente gravitazionale puntiforme

Nel caso la fonte non punteggiato l'aspetto di un anello è in linea di principio possibile, sebbene ci saranno più probabilmente due immagini allungate sotto forma di archi. In situazioni reali, o la distanza angolare tra le immagini è troppo piccola, oppure la lente ha una grande massa e grandi dimensioni, tanto da non poter essere considerata un punto materiale (come nei primi esempi osservati di lenti gravitazionali). Gli effetti effettivi della lente gravitazionale dipendono da diversi parametri e il numero di immagini possibili e le immagini stesse variano.

Le lenti gravitazionali sono ora anche uno strumento importante per la ricerca astronomica. Con il loro aiuto si può: 1) ottenere una stima dei parametri dell'espansione dell'Universo indipendentemente da altri metodi di ricerca; 2) stimare le masse delle lenti gravitazionali, la maggior parte delle quali emette troppo poca radiazione elettromagnetica per essere rilevata con metodi astronomici standard; 3) sulla base del cambiamento osservato nella forma di galassie di fondo distanti, utilizzando i metodi del cosiddetto lente gravitazionale debole, è possibile ricostruire la distribuzione della densità superficiale di ammassi distanti di galassie; 4) dal caratteristico cambiamento nella luminosità osservata della stella sullo sfondo, possono essere rilevati oggetti invisibili con masse dell'ordine del sole, cioè scoprire il cosiddetto microlente. Questo è esattamente il fenomeno che Khwolson ed Einstein sembravano troppo inaccessibili per essere osservati.

Recentemente, nel 2007, è stato scoperto che uno degli eventi di microlensing è causato da una nana bruna: si tratta di oggetti quasi invisibili di massa piccola (per gli standard stellari). Pertanto, il microlensing amplia le possibilità di studio di queste stelle deboli, difficili da rilevare e osservare, ma molto interessanti e importanti.