Objektiv prirode: Kako se gravitacija može saviti svjetlom poput teleskopa

Gravitacijsko leće

Svjetlost iz pozadinske galaksije iskrivljena je oko galaksije u prvom planu, stvarajući spektakularan pogled kroz gravitacijsku leću. (Kredit za sliku: ESA / Hubble / NASA)





Paul Sutter je astrofizičar u Državno sveučilište Ohio a glavni znanstvenik u Znanstveni centar COSI . Sutter je također domaćin ' Pitajte svemirca 'i' Svemirski radio , 'i vodi AstroTours oko svijeta. Sutter je ovaj članak pridonio časopisu guesswhozoo.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Vizija Alberta Einsteina o načinu djelovanja gravitacije bila je, u najmanju ruku, radikalni odmak od starije, newtonovske perspektive. Prema Einsteinovom okviru, prostor-vremenski koordinatni sustav koji koristimo za označavanje događaja u našem svemiru nije samo statična kulisa, već potpuno dinamično, živo stvorenje samo po sebi. Prostor-vrijeme se može savijati, savijati i deformirati pod utjecajem mase i energije, a ta robusna geometrija daje nam snagu gravitacije.

I ništa ne zna kako je teškoća tog terena bolja od same svjetlosti. Prisiljen slijediti svako brdo, dolinu, neravninu i bore u svemiru, svjetlosni put neprestano se gura naprijed -natrag pokušavajući, uzalud, slijediti ravnu i usku stazu. Prisutnost obližnjeg masivnog objekta odvratit će svjetlost s izvorne putanje. Iako je foton nosilac svjetlosti i elektromagnetska sila , nema vlastitu masu, utjecaj gravitacije je univerzalan. Nakon što se taj prostor-vremenski teren oblikuje, sve u svemiru mora raditi na navigaciji geometrijom.



Možda je vizualno najupečatljiviji primjer ovog učinka znatiželjni fenomen gravitacijskog lećenja u kojem se masivni objekt može ... pa, ponašati kao leća. Ovaj efekt može saviti put svjetlosti do tako visokog stupnja da pozadinski objekti poprimaju zrcalno-zabavni izgled, a njihove slike su iskrivljene do te mjere da su gotovo neprepoznatljive. ['We Don't Planet' - Epizoda 3: Što je s gravitacijskim lećanjem? ]

Vino tamno nebo

Čistom slučajnošću, baza tipične vinske čaše dobra je aproksimacija ponašanja gravitacijskog leća jednostavnog, (relativno) malog, sfernog objekta poput zvijezde. Ako pogledate kroz (nadamo se, praznu) čašu za vino u sobu oko sebe - a možda biste ovo htjeli učiniti prisebnim pa ima više smisla - vidjet ćete vrlo iskrivljenu sliku. Ako čašu s vinom usmjerite ravno prema predmetu, vidjet ćete kako je predmet rastegnut u prsten koji okružuje središte podnožja čaše. U manje ekstremnim slučajevima vidjet ćete lukove ili istu sliku ponovljenu na više strana baze.

Kad pogledamo duboko u svemir, ponekad naiđemo na slučajno poravnanje. Nešto doista masivno, poput divovskog jata galaksija, ležat će ispred mnogih nepovezanih pozadinskih galaksija. Svjetlost iz daleke pozadine mora slijediti uvijenu i iskrivljenu gravitacijsku putanju koju je postavila skupina, a rezultat je neobično lijep skup slika. Poput gledanja kroz divovsku čašu za vino, vidjet ćemo više slika iste galaksije, savijene u dugačke tanke lukove, čudne mrlje, a ponekad čak i savršene prstenove.



Ove iskrivljene i iskrivljene slike daju nam važne naznake o sadržaju klastera - masivnom objektu između nas i pozadini koji pruža dovoljno gravitacije za stvaranje pristojnog objektiva. Uspoređujući groteskne slike galaksija iza jata s normalnim slikama galaksija, možemo izgraditi prilično pouzdanu procjenu mase velikog jata. Možemo čak procijeniti kako je ta masa raspoređena unutar klastera.

Ova metoda pruža još jedan ključni dokaz postojanja tamne tvari. To je zato što je učinak potpuno neovisan o drugim pristupima mjerenju mase jata, poput krivulja rotacije galaktike i temperatura plina u galaksiji. Uklonite prisutnost tamne tvari, a put savijanja svjetlosti iz pozadinskih galaksija oko jata ne bi bio ni približno tako ozbiljan kako mi to vidimo.

Slabost u snazi

Ne samo kroz velike, masne skupine dobivamo korisne kozmološke informacije. Na suprotnom kraju spektra od jakih leća nalaze se, pogađate, slabe leće. Po definiciji, sve u svemiru može djelovati poput gravitacijske leće; vaša tehnika promatranja samo mora biti dovoljno osjetljiva da otkrije leće.



Dok nam svjetlost leti iz udaljenih dijelova svemira, filtrira kroz sve i oko svih izvora energije koji se umiješaju. Ako ste samo kratko pogledali bilo koju nasumičnu udaljenu galaksiju - pogotovo ne onu koja je zaglavila iza velikog jata - ona neće izgledati ništa drugačije od obližnje galaksije. Ali bit će drugačije, makar i sitno. Ovdje lagano ugađanje. Malo izobličenje. Možda blago produljenje ili savijanje.

Ti su učinci premali da bi se vidjeli u bilo kojoj galaksiji, ali ako analizirate tisuće, još bolje milijune galaksija u svemiru, možete rekonstruirati raspodjelu tvari između nas i tih galaksija. Dovedeno do krajnosti, to možemo učiniti s kozmičkom mikrovalnom pozadinom, svjetlom iz ranog svemira koje se filtriralo kroz talog kave u našem kozmosu već 13,8 milijardi godina. Uspjeli smo upotrijebiti nevjerojatno male deformacije na toj slici kako bismo dovršili još veći projekt: rekonstrukciju raspodjele tvari u čitavom svemiru između nas i tog pozadinskog svjetla.

Ali to je samo jedna slika koja nam daje potpuno savijanje koje je svjetlo doživjelo na svom putu kroz povijest svemira. Da bismo napravili 3D kartu, moramo ponoviti ovaj postupak pomoću niza koncentričnih ljuski galaksija koje nas okružuju, pažljivo preslikavajući sitna izobličenja na njihovim slikama i uočavajući razlike u susjednim ljuskama.

Ta je tehnika, poznata kao slabo gravitacijsko leće, tek u povojima, ali brzo dobiva paru. Trenutno se naširoko koristi u kozmološkim istraživanjima poput Istraživanje tamne energije , i u ( nadam se ) nadolazeće misije poput WFIRST -a za mapiranje rasta i evolucije strukture u našem svemiru - pružajući još jedan prozor u skrivena područja tamne materije i tamne energije.

Najmanja leća

Moram spomenuti još jednu važnu primjenu leća. Na vrhu imamo snažne leće, poput divovskih grozdova galaksija, sposobne zamjetno iskriviti sliku galaksije. Ispod toga imamo slabe leće, koje se mogu otkriti pažljivom statističkom analizom. Ispod toga dobivamo klasu takozvanih mikroobjekata, koji su premali da bi čak uzrokovali vidljivo izobličenje.

Umjesto toga, kad mali objekt poput crne rupe ili smeđeg patuljka slučajnim poravnanjem prođe ispred udaljene zvijezde, vidimo trenutačno povećanje svjetline zbog objektiva oko interlopera. Iako je ova pojava doista vrlo rijetka, ako dovoljno dugo buljite u dovoljno zvijezda, sigurno ćete to vidjeti. A kad to učinite, možete uloviti sve usamljene lutalice našeg galaktičkog krajolika koji inače nisu vidljivi.

Također možete uočiti planete . Kad je zvijezda sama po sebi interloper, ako nosi bilo kakve planete u orbiti oko sebe, oni će promijeniti - barem tako - trenutnu svjetlinu tijekom događaja mikrooblikovanja.

Od najvećih do najmanjih mjerila, naš je svemir pun svjetlucavih, svjetlucavih leća. I baš poput staklenih leća koje se nalaze u našim teleskopima i mikroskopima, ove kozmičke leće pružaju nam poglede na dijelove našeg svemira koje bi inače bilo teško vidjeti.

Saznajte više slušajući epizodu 'Kako gravitacija čini leću?' na podcastu 'Ask a Spaceman', dostupnom na iTunes i na webu u http://www.askaspaceman.com . Hvala @JanelleDuncan, Jack S., William H., Straw W. i Don M. na pitanjima koja su dovela do ovog djela! Postavite vlastito pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter . Prati nas @Spacedotcom , Facebook i Google+ . Originalni članak na guesswhozoo.com .