Ống kính hấp dẫn là gì?

Hiệu ứng được gọi là thấu kính hấp dẫn là gì? Làm thế nào nó hoạt động? Những đối tượng nào sẽ có thể gây ra hiệu ứng này?

Thấu kính hấp dẫn là sự bẻ cong ánh sáng bởi các vật thể lớn ở giữa người quan sát (chúng ta) và một nguồn sáng nền. Đây là một dự đoán trực tiếp về thuyết tương đối rộng của Einstein, và đã được Sir Aurther Eddington kiểm tra và xác nhận trong cuộc phóng đại Mặt trời nổi tiếng ngày 29 tháng 5 năm 1919 , trong đó vị trí rõ ràng của một ngôi sao rất gần mặt trời được quan sát ở một vị trí khác - vị trí chính xác đã được GR dự đoán thành công.

Có nhiều tình huống có thể làm phát sinh thấu kính hấp dẫn. Những chế độ này là:

Ống kính mạnh

Thấu kính mạnh là dạng thấu kính hấp dẫn trực quan nhất, và như tên gọi của nó, đòi hỏi một vật cực lớn và có sự liên kết tốt giữa thấu kính và nguồn. Các cụm thiên hà là nguyên nhân phổ biến nhất của thấu kính hấp dẫn mạnh. Vòng cung một phần, vòng cung đầy đủ ( vòng Einstein ) và nhiều hình ảnh đều là những đặc điểm của thấu kính hấp dẫn mạnh mà người ta có thể quan sát được. Một số vật thể được nghiên cứu phổ biến nhất tạo ra các tính năng thấu kính hấp dẫn mạnh là cụm Abell , trong đó nổi tiếng nhất là Abell 1689 (ảnh dưới).

Các tính năng thấu kính mạnh như vòng cung và vòng thường là do các vật thể mở rộng (như các thiên hà nền không phải là một phần của cụm sao) và nhiều hình ảnh (chủ yếu là các hệ thống bốn hình ảnh) thường là các đối tượng như quasar nền.

Ống kính yếu

Thấu kính hấp dẫn yếu xảy ra thường xuyên hơn nhiều so với thấu kính mạnh. Các thấu kính có thể là các cụm (ở các vùng bên ngoài của chúng), các thiên hà riêng lẻ hoặc thậm chí là cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ. Thấu kính yếu không phải là một hiệu ứng đáng chú ý bằng mắt, thay vào đó, nó phải được thực hiện theo thống kê. Các elip của một trường thiên hà nền được quan sát trên lưới và được thống kê trung bình với nhau để tạo ra tín hiệu thấu kính yếu. Biến dạng hình dạng của các thiên hà nền này do thấu kính nằm trên tỷ lệ phần trăm. Tuy nhiên, một giả định quan trọng được đưa ra và đó là các isophotes của các thiên hà (các đường ánh sáng không đổi) có hình elip và các hướng của chúng là hoàn toàn ngẫu nhiên. Với điều đó, bất kỳ mạngcắt tiếp tuyến được tạo ra là do thấu kính hấp dẫn. Trong hình ảnh bên dưới (từ trên trái sang dưới phải), khung trên bên trái hiển thị trường thiên hà tròn không được che chắn và phía bên phải của nó cho thấy hiệu ứng của thấu kính. Hình ảnh ở phía dưới bên phải có thêm nhiễu hình dạng (trường thiên hà 'thực tế') và bên phải là cách trường sẽ thấu kính.

Cuối cùng, các hiệu ứng biến dạng hình dạng bậc cao hơn, đáng chú ý nhất là Flexion , có thể tạo ra các nguồn thiên hà mở rộng để không chỉ cắt, mà còn uốn cong. Đây hiện là một điều khó khăn để đo lường.

Vi lọc

Microlensing là một chế độ thấu kính phổ biến nhất trên quy mô của dải ngân hà. Điều này có thể xảy ra khi các ngôi sao nền vượt qua phía sau các ngôi sao tiền cảnh. Microlensing thực sự đủ mạnh để tạo ra nhiều hình ảnh của ngôi sao nền, nhưng vì sự phân tách hình ảnh rất nhỏ (tỷ lệ micro-giây giây - do đó là tên), nên chúng ta quan sát được (vì độ phân giải góc của micro-arcsecond rất khó đạt được ) là một thay đổi trong thông lượng khi đối tượng di chuyển vào và ra khỏi vị trí thẳng hàng với đối tượng lớn trung gian. Thật thú vị, microlensing đã thực sự được chứng minh là hữu ích trong việc phát hiện các hành tinh xung quanh các hệ thống thấu kính sao.

Thấu kính hấp dẫn là hiệu ứng mà một lượng lớn trọng lực có trên đường đi của ánh sáng. Đây là một ví dụ về hiệu ứng:

Hình ảnh động cho thấy một lỗ đen đi qua trước một thiên hà (mô phỏng). Về lý thuyết, bất kỳ vật thể nào có mật độ khối lượng bề mặt lớn hơn mật độ khối lượng bề mặt tới hạn đều có thể tạo ra các hiệu ứng tương tự.

Điều đang xảy ra là ánh sáng đi theo một đường thẳng dọc theo vải không thời gian. Khi một vật thể rất lớn nằm trong vải, nó uốn cong vải - vì ánh sáng đi theo một đường thẳng trên vải , đường thẳng cũng bị uốn cong. Điều này có nghĩa là ánh sáng đi theo một đường không thẳng và do đó có hiệu ứng thấu kính.

Theo hướng dẫn này của NASA , thấu kính hấp dẫn là khi ánh sáng phát ra từ một vật thể ở xa sẽ bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn của một vật thể lớn, như một thiên hà, nằm giữa chúng ta và vật thể ở xa.

Một sơ đồ tóm tắt hiệu ứng này là dưới đây:

Nguồn: "Khám phá một thấu kính hấp dẫn bất thường" (Courbin et al.)

Một ngôi sao đi qua trước mặt khác từ quan điểm của chúng tôi. Thay vì chỉ chặn ánh sáng từ ngôi sao xa xôi, ánh sáng từ ngôi sao xa xôi trước đây được hướng sang một bên, bên kia, bên trên, bên dưới, - thực tế là xung quanh ngôi sao kia - giờ bị bẻ cong bởi ảnh hưởng của trọng lực từ ngôi sao gần đó trên các photon. Kết quả là, nhiều photon cuối cùng hướng về phía chúng ta so với trước đây.

Những đối tượng nào sẽ gây ra hiệu ứng này? Một vật thể lớn đi qua trước một ngôi sao.