Գրավիտացիոն ոսպնյակ

Գրավիտացիոն ոսպնյակ, նյութի (օրինակ՝ գալակտիկաների կուտակումների) այնպիսի բաշխում հեռավոր աղբյուրի և դիտորդի միջև, որն ունակ է շեղելու աղբյուրից դեպի դիտորդը եկող լույսը։ Գրավիտացիոն ոսպնյակներով ստացված շեղման չափը կանխատեսվում է Ալբերտ Այնշտայնի հարաբերականության ընդհանուր տեսությամբ^[1]։ Դասական ֆիզիկան նույնպես կանխատեսում է լույսի շեղումը, սակայն ընդամենը ընդհանուր հարաբերականության տեսությամբ կանխատեսվածի կեսի չափ^[2]։

Չնայած երբեմն համարվում է, որ Օրեստ Խվոլսոնը (1924) կամ Ֆրանտիշեկ Կլինն (1936) են առաջին անգամ այս էֆեկտի մասին հրատարակել, այն սովորաբար վերագրվում է Այնշտայնին, որը 1936 թվականին այդ թեմայով հայտնի հոդված է հրապարակել։

1937 թվականին Ֆրից Ցվիկին գրեց, որ այս էֆեկտը կարող է գալակտիկաների կուտակումներին թույլ տալ գործելու որպես գրավիտացիոն ոսպնյակներ։ Միայն 1979 թվականին էֆեկտը հաստատվեց այսպես կոչված SBS 0957+561 կրկնակի քվազարի դիտումներով։

Նկարագրություն

Գրավիտացիոն ոսպնյակի գեղարվեստական պատկերում։ Դիտորդի և հեռավոր գալակտիկայի միջև ընկած գալակտիկան ձևափոխում է վերջինիս տեսքը։

Այս սխեմատիկ պատկերը ցույց է տալիս, թե ինչպես է հեռավոր գալակտիկայից եկող լույսը գրավիտացիոն էֆեկտով փոխում ֆոնի գալակտիկայի թվացյալ տեսքը։ Ձևավորված լուսային օղակները կոչվում են Այնշտայնի օղակներ։

Գրացիտացիոն ոսպնյակավորման էֆեկտոր պայմանավորված SDP.81-ի շեղման վերլուծությունը:

Ի տարբերություն օպտիկական ոսպնյակների, առավելագույն շեղումը գրավիտացիոն ոսպնյակների դեպքում ամենամոտն է կենտրոնին, իսկ նվազագույնը ամենահեռուն է գրավիտացիոն ոսպնյակի կենտրոնից։ Այդ պատճառով գրավիտացիոն ոսպնյակը ունի ոչ թե միակ կիզակետ, այլ կիզակետային գծեր։ Եթե լույսի աղբյուրը, որպես ոսպնյակ հանդես եկող ծանր մարմինը և դիտորդը մի գծի վրա են, լույսի աղբյուրը կերևա ծանր ոսպնյակային մարմնի շուրջը օղակի տեսքով։ Եթե դրանք մի գծի վրա չլինեն, դիտորդը օղակի փոխարեն աղեղային հատված կտեսնի։ Այս երևույթն առաջին անգամ 1924 թվականին նշել է պետերբուրդցի ֆիզիկոս Օրեստ Խվոլսոնը^[3], իսկ քանակապես գնահատել է Ալբերտ Այնշտայնը 1936 թվականին։ Գրականության մեջ այն սովորաբար կոչվում է Այնշտայնի օղակ, քանի որ Խվոլսոնը չի նկարագրել օղակային պատկերի փոփոխությունը կամ շառավիղը։ Սովորաբար, եթե ոսպնյակավորող զանգվածը բաղադրյալ է (օրինակ՝ գալակտիկաների խմբեր կամ կուտակումներ) և տարածաժամանակի սֆերիկ աղավաղման պատճառ չի դառնում, աղբյուրը կնմանվի ոսպնյակի շուրջը սփռված աղեղների կտորների։ Դիտորդը կարող է տեսնել միևնույն աղբյուրի բազմակի աղավաղված պատկերները․ դրանց թիվը և ձևը կաված են աղբյուրի, ոսպնյակի և դիտորդի հարաբերական դիրքից և ոսպնյակավորող մարմնի գրավիտացիոն փոսի ձևից^[4]։

Գրավիտացիոն ոսպնյակավորման երեք դաս կա^[5]՝

1. Ուժեղ ոսպնյակավորում․ այս դեպքում հեշտությամբ երևում են այնպիսի աղավաղումներ, ինչպիսիք են ձևավորված Այնշտայնի օղակները, աղեղները և բազմակի պատկերները։

2. Թույլ ոսպնյակավորում․ ֆոնային աղբյուրների աղավաղումները շատ ավելի փոքր են և կարող են նկատվել միայն մեծ թվով աղբյուրներ վերլուծելու միջոցով՝ գտնելու համար կոհերենտ աղավաղումների միայն մի մասը։ Ըստ վիճակագրության, ֆոնային մարմինները սովորաբար ձգվում են դեպի ոսպնյակի կենտրոն ուղղությանը ուղղահայաց։ Մեծ թվով հեռավոր գալակտիկաների ձևերը և կողմնորոշումները չափելով և միջինացնելով ստացված տվյալները՝ հնարավոր է պատկերացում կազմել տվյալ տարածքում նյութի բաշխման մասին, մասնավորապես՝ մութ նյութի։ Քանի որ գալակտիկաներն էլիպսաձև են, իսկ թույլ գրավիտացիոն ոսպնյակավորման ազդանշանը փոքր է, շատ մեծ թվով գալակտիկաներ պետք է ընդգրկվեն նման հետազոտության մեջ։ Թույլ ոսպնյակավորման այնպիսի հետազոտությունները պետք է շատ ուշադիր արվեն՝ խուսափելու համար չափումների սխալներից։

3. Միկրոոսպնյակավորում․ երբ ձևի աղավաղումը նկատելի չէ, սակայն ֆոնային մարմնից ստացված լույսի քանակը ժամանակի ընթացքում փոխվում է։ Տիպիկ դեպքում ոսպնյակավորող մարմինը կարող է Ծիր Կաթինի աստեղերից լինել, ֆոնային աղբյուրը՝ հեռավոր գալակտիկայի աստղ, կամ, մեկ այլ դեպքում, է՛լ ավելի հեռու քվազար։ Այս էֆեկտը փոքր է, այնպես որ (ուժեղ ոսպնյակավորման դեպքում) նույնիսկ Արեգակի զանգվածից 100 միլիարդ անգամ ծանր գալակտիկան կառաջացներ ընդամենը մի քանի աղեղային վայրկյանով հեռացած բազմակի պատկերներ։ Գալակտիկաների կուտակումները կարող են ստեղծել մի քանի աղեղային րոպեներով հեռացած պատկերներ։ Երկու դեպքում էլ գալակտիկաները և աղբյուրները շատ հեռու են՝ մի քանի հարյուր մեգապարսեկներով հեռու մեր Գալակտիկայից։

Գրավիտացիոն ոսպնյակները հավասարապես գործում են ոչ միայն լույսի, այլև՝ բոլոր տեսակների էլեկտրամագնիսական ճառագայթումների համար։ Թույլ ոսպնյակավորման էֆեկտները ուսումնասիրվում ինչպես մնացորդային ճառագայթման, այնպես էլ՝ գալակտիկական հետազոտությունների համար։ Ուժեղ ոսպնյակներ են նկատվել ինչպես ռադիո, այնպես էլ՝ ռենտգենյան տիրույթներում։ Եթե ուժեղ ոսպնյակը բազմակի պատկերներ է ստեղծում, երկու ճանապարհների միջև ժամանակի հարաբերական հապաղում կնկատվի․ ոսպնյակավորվող մարմինը մի նկարում ավելի շուտ կդիտվի, քան՝ մյուսում։

Պատմություն

1784 թվականին Հենրի Կավենդիշը (չհրապարակված ձեռագրում), իսկ 1801 թվականին՝ Յոհան ֆոն Սոլդները (հրատարակվել է 1804 թվականին) գրում են, որ նյուտոնյան գրավիտացիայով կանխատեսվում է, որ աստղերի լույսը մեծ զանգված ունեցող մարմինների մոտ պիտի կորանա^[6], ինչը Նյուտոնն արդեն ենթադրում էր 1704 թվականի իր հայտնի «Օպտիկա» (անգլ.՝ Opticks) աշխատության մեջ^[7]։ 1911 թվականին Այնշտայնը, հիմնվելով միայն համարժեքության սկզբունքի վրա, հաշվարկներից ստանում է նույն արժեքը, ինչ ստացել էր Սոլդները։ Սակայն 1915 թվականին հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ստեղծելիս Այնշտայնը նշում է, որ իր (և ուրեմն՝ նաև Սոլդների) ստացած արդյունքը ճիշտ մեծության միայն կեսն է իրականում։ Այսպիսով լույսի շեղման ճշգրիտ արժեքը առաջինը հաշվել է Այնշտայնը^[8]։

Լույսի շեղվելու առաջին դիտումները 1919 թվականի մայիսին իրականացրել են Արթուր Էդինգտոնի և գործընկերները լրիվ Արեգակի լրիվ խավարման ընթացքում^[9], այնպես որ հնարավոր էր դիտել Արեգակի կողքին գտնվող աստղերը։ Դտումները միաժամանակ անցկացվել են Աֆրիկայի մոտակայքում՝ Սան Տոմե և Պրինսիպիում և Բրազիլիայում՝ Սոբրալում^[10]։ Ստացված արդյունքները լայն ուշադրության արժանացան՝ լուսաբանվելով կարևոր թերթերի առաջին էջերում և միանգամից հայտնի դարձնելով Այնշտայնին և հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը։ Երբ Այնշտայնին հարցնում են, թե ինչ կաներ, եթե Էդինգտոնը և Դայսոնը 1919 թվականին չհաստատեին իր տեսությունը, նա պատասխանում է . «Ես կխղճայի Տեր Աստծուն։ Միևնույնն է՝ տեսությունը ճիշտ է»^[11]։

Տարածաժամանակը կորանում է ծանր օբյեկտների (օրինակ՝ գալակտիկաների կուտակումների կամ սև խոռոչների) մոտ. Ինչի արդյունքում ֆոնային աղբյուրից (օրինակ՝ գալակտիկայից) տարածվող լույսի ճառագայթները շեղվում են։ Այս ոսպնյակավորող էֆեկտի հետևանքով ֆոնային աղբյուրը կարող է աղավաղված երևալ։

Հարաբերականության ընդհանուր տեսության համաձայն, զանգվածը «այլափոխում է» տարածաժամանակը՝ ստեղծելով գրավիտացիոն դաշտեր և այսպիսով արդյունքում շեղելով լույսը։ Այս տեսությունը հաստատվեց 1919 թվականի արևի խավարման դիտումներով, երբ Արթուր Էդինգտոնը և Ֆրանկ Դայսոնը հաստատեցին, որ Արեգակի մոտով անցնող հեռավոր աստղից եկող լույսը թեթևակի շեղվում է, այնպես որ աստղն իր իսկական վայրում չի երևում^[12]։

Այնշտայնը հասկացավ, որ աստղային մարմինները նույնպես կարող են շեղել լույսը, և համապատասխան պայմանների դեպքում հնարավոր կլինի նկատել միևնույն աղբյուրի բազմակի պատկերներ, ինչը կոչվեց գրավիտացիոն ոսպնյակ կամ երբեմն՝ գրավիտացիոն միրաժ։

Սակայն կարծելով, որ գրավիտացիոն ոսպնյակավորումը տեղի ունի միայնակ աստղերի պատճառով, Այնշտայնը եզրակացրեց, որ երևույթը հավանաբար հնարավոր չի լինի դիտարկել մոտ ապագայում։ 1937 թվականին Ֆրից Ցվիկին առաջին անգամ ենթադրեց, որ գալակտիկան նույնպես կարող է որպես աղբյուր հանդես գալ, ուստի հնարավոր կլինի մատչելի դիտումներին համապատասխան հաշվարկներ անել։ Առաջին գրավիտացիոն ոսպնյակը հայտնաբերվեց միայն 1979 թվականին։ Այն հայտնի դարձավ «երկվորյակ քվազարներ» անունով, քանի որ երկու նույնական քվազարների տեսք ուներ։ Պաշտոնական անվանումը SBS 0957+561 է։ Այս գրավիտացիոն ոսպնյակը հայտնագործեցին Դենիս Ուոլշը, Բոբ Քարսվելը և Ռեյ Վայմանը՝ Կիթ Պիկի ազգային աստղադիտարանի 2,1 մետրանոց աստղադիտակով^[13]։

1980 թվականին աստղագետները գտան, որ համակարգչային միջոցներով հնարավոր է ամեն գիշեր չափել միլիոնավոր աստղերի պայծառությունը։ Խիտ միջավայրում, օրինակ՝ Մագելանի ամպում, կարելի է ամեն տարի բազմաթիվ միկրոոսպնյակավորման դեպքեր հայտնաբերել։ Արդյունքում կազմակերպվեց Օպտիկական գրավիտացիոն ոսպնյակավորման փորձը (անգլ.՝ Optical Gravitational Lensing Experiment), ինչի հետևանքով հարյուրավոր այդպիսի դեպքեր գրանցվեցին։

Լույսի շեղման չափը կորացած տարածաժամանակում

Ըստ հարաբերականության ընդհանուր տեսության, լույսը հետևում է տարածաժամանակի կորացմանը, ուստի ծանր մարմնի մոտով անցնելիս շեղվում է։ Սա նշանակում է, որ մյուս կողմում գտնվող մարմնից եկող լույսը դիտորդի աչքին շեղված կերևա, ճիշտ ինչպես սովորական ոսպնյակների դեպքում։ Քանի որ լույսը միշտ շարժվում է հաստատուն արագությամբ, ոսպնյակավորումը փոխում է լույսի արագության ուղղությունը, բայց ոչ մեծությունը։

Լույսի ճառագայթները սահմաններ են ապագայի, տարածանման տիրույթի և անցյալի միջև (տես լուսային կոն)։ Գրավիտացիոն ձգողությունը կարելի է դիտարկել որպես շարժում կորացած տարածության մեջ։ r հեռավորությունից դեպի M զանգվածը շարժման դեպքում շեղման չափը տրվում է

\theta ={\frac {4GM}{rc^{2}}}

բանաձևով, որտեղ G-ն գրավիտացիոն հաստատունն է, c-ն՝ լույսի արագությունը վակուումում։

Քանի որ $r_{\mathrm {s} }$ Շվարցշիլդի շառավիղը սահմանվում է որպես

r_{\mathrm {s} }={2Gm}/{c^{2}}

,

ապա θ անկյունը պարզեցված ձևով դա կարելի է գրել որպես

\theta =2{\frac {r_{\mathrm {s} }}{r}}

:

Պատկերասրահ

Գրավիտացիոն ոսպնյակավորման «ժպտացող» պատկեր (այսպես կոչված «Չեշիրյան կատուն»^[14], SDSS J1038+4849 գալակտիկաների կուտակում, Հաբլ աստղադիտակ)^[15]
Abell 1689 - գրավիտացիոն ոսպնյակավորման երևույթ (Հաբլ աստղադիտակ).
Մութ նյութի բաշխումը․ թույլ գրավիտացիոն ոսպնյակավորում (Հաբլ աստղադիտակ)
z = 1,53 արժեքով կարմիր շեղումով գրավիտացիոն ոսպնյակավորում^[16]

Ծանոթագրություններ

↑ Overbye, Dennis (2015 թ․ մարտի 5). «Astronomers Observe Supernova and Find They're Watching Reruns». New York Times. Վերցված է 2015 թ․ մարտի 5-ին.
↑ Cf. Kennefick 2005 Էդինգտոնի գիտարշավների ժամանակ արված դասական փորձերի համար, ավելի վերջերս արված չափումների համար տես Ohanian & Ruffini 1994, ch. 4.3։ Քվազարների միջոցով արված ավելի արդի ճշգրիտ ուղղակի չափումների համար տեսShapiro et al. 2004
↑ Gravity Lens – Part 2 (Great Moments in Science, ABS Science)
↑ «Dieter Brill, "Black Hole Horizons and How They Begin", Astronomical Review (2012); Online Article, cited Sept.2012». Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ սեպտեմբերի 16-ին. Վերցված է 2015 թ․ նոյեմբերի 14-ին.
↑ Melia, Fulvio (2007). The Galactic Supermassive Black Hole. Princeton University Press. էջեր 255–256. ISBN 0-691-13129-5.
↑ Soldner, J. G. V. (1804). «On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by». Berliner Astronomisches Jahrbuch: 161–172.
↑ Newton, Isaac (1998). Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light. Also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures. Commentary by Nicholas Humez (Octavo ed.). Palo Alto, Calif.: Octavo. ISBN 1-891788-04-3. (Օպտիկան առաջին անգամ հրատարակվել է 1704 թվականին)։
↑ Will, C.M. (2006). «The Confrontation between General Relativity and Experiment». Living Rev. Relativity. 9: 39. arXiv:gr-qc/0510072. Bibcode:2006LRR.....9....3W. doi:10.12942/lrr-2006-3.
↑ Dyson, F. W.; Eddington, A. S.; Davidson C. (1920). «A determination of the deflection of light by the Sun's gravitational field, from observations made at the total eclipse of 29 May 1919». Philosophical Transactions of the Royal Society. 220A: 291–333.
↑ Stanley, Matthew (2003). «'An Expedition to Heal the Wounds of War': The 1919 Eclipse and Eddington as Quaker Adventurer». Isis. 94 (1): 57–89. doi:10.1086/376099. PMID 12725104.
↑ "Then I would feel sorry for the dear Lord. The theory is correct anyway." Rosenthal-Schneider, Ilse: Reality and Scientific Truth. Detroit: Wayne State University Press, 1980. p 74. (See also Calaprice, Alice: The New Quotable Einstein. Princeton: Princeton University Press, 2005. p 227.)
↑ Dyson, F. W.; Eddington, A. S.; Davidson, C. (1920 թ․ հունվարի 1). «A Determination of the Deflection of Light by the Sun's Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 220 (571–581): 291–333. Bibcode:1920RSPTA.220..291D. doi:10.1098/rsta.1920.0009.
↑ Walsh, D.; Carswell, R. F.; Weymann, R. J. (1979 թ․ մայիսի 31). «0957 + 561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens?». Nature. 279 (5712): 381–384. Bibcode:1979Natur.279..381W. doi:10.1038/279381a0. PMID 16068158.
↑ SDSS J103842.59+484917.7: Where Alice in Wonderland Meets Albert Einstein
↑ Loff, Sarah; Dunbar, Brian (փետրվարի 10, 2015). «Hubble Sees A Smiling Lens». NASA. Վերցված է փետրվարի 10, 2015-ին.
↑ «Most distant gravitational lens helps weigh galaxies». ESA/Hubble Press Release. Արխիվացված է օրիգինալից 2013-10-19-ին. Վերցված է հոկտեմբերի 18, 2013-ին.

[NYT-20150305-1] Overbye, Dennis (2015 թ․ մարտի 5). «Astronomers Observe Supernova and Find They're Watching Reruns». New York Times. Վերցված է 2015 թ․ մարտի 5-ին.

[2] Cf. Kennefick 2005 Էդինգտոնի գիտարշավների ժամանակ արված դասական փորձերի համար, ավելի վերջերս արված չափումների համար տես Ohanian & Ruffini 1994, ch. 4.3։ Քվազարների միջոցով արված ավելի արդի ճշգրիտ ուղղակի չափումների համար տեսShapiro et al. 2004

[3] Gravity Lens – Part 2 (Great Moments in Science, ABS Science)

[4] «Dieter Brill, "Black Hole Horizons and How They Begin", Astronomical Review (2012); Online Article, cited Sept.2012». Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ սեպտեմբերի 16-ին. Վերցված է 2015 թ․ նոյեմբերի 14-ին.

[5] Melia, Fulvio (2007). The Galactic Supermassive Black Hole. Princeton University Press. էջեր 255–256. ISBN 0-691-13129-5.

[6] Soldner, J. G. V. (1804). «On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by». Berliner Astronomisches Jahrbuch: 161–172.

[Opticks-7] Newton, Isaac (1998). Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light. Also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures. Commentary by Nicholas Humez (Octavo ed.). Palo Alto, Calif.: Octavo. ISBN 1-891788-04-3. (Օպտիկան առաջին անգամ հրատարակվել է 1704 թվականին)։

[8] Will, C.M. (2006). «The Confrontation between General Relativity and Experiment». Living Rev. Relativity. 9: 39. arXiv:gr-qc/0510072. Bibcode:2006LRR.....9....3W. doi:10.12942/lrr-2006-3.

[9] Dyson, F. W.; Eddington, A. S.; Davidson C. (1920). «A determination of the deflection of light by the Sun's gravitational field, from observations made at the total eclipse of 29 May 1919». Philosophical Transactions of the Royal Society. 220A: 291–333.

[10] Stanley, Matthew (2003). «'An Expedition to Heal the Wounds of War': The 1919 Eclipse and Eddington as Quaker Adventurer». Isis. 94 (1): 57–89. doi:10.1086/376099. PMID 12725104.

[11] "Then I would feel sorry for the dear Lord. The theory is correct anyway." Rosenthal-Schneider, Ilse: Reality and Scientific Truth. Detroit: Wayne State University Press, 1980. p 74. (See also Calaprice, Alice: The New Quotable Einstein. Princeton: Princeton University Press, 2005. p 227.)

[12] Dyson, F. W.; Eddington, A. S.; Davidson, C. (1920 թ․ հունվարի 1). «A Determination of the Deflection of Light by the Sun's Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 220 (571–581): 291–333. Bibcode:1920RSPTA.220..291D. doi:10.1098/rsta.1920.0009.

[13] Walsh, D.; Carswell, R. F.; Weymann, R. J. (1979 թ․ մայիսի 31). «0957 + 561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens?». Nature. 279 (5712): 381–384. Bibcode:1979Natur.279..381W. doi:10.1038/279381a0. PMID 16068158.

[14] SDSS J103842.59+484917.7: Where Alice in Wonderland Meets Albert Einstein

[NASA-20150210-15] Loff, Sarah; Dunbar, Brian (փետրվարի 10, 2015). «Hubble Sees A Smiling Lens». NASA. Վերցված է փետրվարի 10, 2015-ին.

[16] «Most distant gravitational lens helps weigh galaxies». ESA/Hubble Press Release. Արխիվացված է օրիգինալից 2013-10-19-ին. Վերցված է հոկտեմբերի 18, 2013-ին.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]