Svi znaju da gravitacija ima osobinu da savija putanju svetlosti. To je još i Njutn pretpostavio. Naime, on se zapitao: „Da li svetlosni zraci odstupaju od prave linije u gravitacionom polju nekog masivnog objekta?“, ali nije mogao da dođe do nekog načina da to dokaže i da nađe pravilo (formulu) po kojoj će tačno da izračuna koliko svetlost skreće u prisustvu gravitacije.
  twin
  Prvi otkriven kvazar sa dve komponente, „Twin quasar“

Prvi naučnik koji je to uradio se zvao Coldner[1]. On je na osnovu Njutnove mehanike došao do formule koja računa ovaj ugao savijanja svetlosti. Posle desetak godina je to isto uradio i Ajnštajn u okviru svoje teorije relativnosti i dobio je tačno dva puta veću vrednost od Coldnerove. Pošto se tada nije znalo koja teorija opisuje naš Univerzum (da li Ajnštajnova ili Njitnova), izvrsna prilika da se to utvrdi se pojavila... Tokom pomračenja Sunca 1919. godine, računat je ugao skretanja svetlosti udaljenih zvezda u Sunčevom gravitacionom polju i dokazano je da je „prava“ teorija Ajnštajnova.

Sledeći važan korak u izučavanju gravitacionih sočiva je dao Fric Cviki[2], koji je zaključio da i „ekstragalaktičke magline“ (galaksije) mogu da savijaju svetlost udaljenih objekata i prave više likova tih izvora. Takođe je imao i ideju da bi ove galaksije mogle da posluže kao prirodni teleskopi i da bismo pomoću ovog efekta mogli da posmatrao udaljene izvore koje ovako ne vidimo.

Prvi slučaj koji je ovo potvrdio je otkriće kvazara sa dve komponente (A i B)[3], takozvanog kvazara „Blizanac“ („Twin Quasar“).

apm08279 grav lens 300dpi-copyŠema jednog gravitacionog sočiva (galaksije), izvora (kvazara) i njegovih umnoženih likova

Na osnovu svih ovih otkrića došlo se do zaključka da ovi vangalaktički objekti takođe mogu da savijaju svetlost i da deluju kao sočiva, stvarajući više likova, ili pojačavajući izvor. Zahvaljujći ovoj osobini, svi ovi objekti su dobili naziv gravitaciona sočiva.

opo0532a
Hablova galerija Ajnštajnovih prstenova različitih gravitacionih sočiva

Kakva sve sočiva postoje?

U zavisnosti od toga na kojoj se udaljenosti nalaze izvor i sočivo, kolika je masa objekata i kakvi se efekti javljaju sva sočiva se grubo mogu podeliti na makrosočiva i mikrosočiva.

Gravitaciona makrosočiva su ona kod kojih je odnos između udaljenosti izvora i sočiva veliki. Kod ove vrste se javljaju efekti poput stvaranja više likova pozadinskog izvora, svetle strukture poput lukova i prstenova. Prsten koji se ovako obrazuje se naziva Ajnštajnov prsten, a poluprečnik tog prstena se naziva Ajnštajnov radijus. Svako sočivo ima svoj Ajnštajnov radijus.

Gravitaciona mikrosočiva su ona kod kojih je Ajnštajnov radijus previše mali, manji od dimenzija sočiva, pa ne dolazi do stvaranja likova i svetlih struktura, već samo do pojačavanja sjaja objekta.

Dok gravitaciona makrosočiva imaju masu reda veličine jedne galaksije ili reda veličine jednog jata galaksija, gravitaciona mikrosočiva imaju masu reda veličine mase Sunca.

Kako sve mogu da izgledaju likovi?

Likovi se, kao što je napomenuto gore, javljaju samo kod gravitacionih makrosočiva i to najčešće po dva, ali česte su i konfiguracije sa tri ili četiri lika. Kvazar koji je prvi otkriven, „Twin Quasar“, ima dve komponente, A i B. Najpoznatiji kvazar koji sadrži četiri komponente je takozvani „Ajnštajnov krst“, koji je otkriven 1985 godine[4] . Kod ovog objekta ulogu gravitacionog sočiva igra galaksija sa masom od 20 milijardi masa Sunca. Još jedan primer sočiva sa četiri komponente je i „List deteline“.

Pored umnoženih likova, javljaju se i iskrivljeni likovi u obliku radio-prstenova (strukture prstenastog oblika u radio domenu), kod kojih se mogu izdvojiti dva jaka izvora, i svetlih lukova. Lukovi i slične strukture nastaju kad gravitaciono sočivo zauzima veliku površinu, a to se dešava kad ulogu gravitacionog sočiva igraju jata galaksija. Najpoznatija gravitaciona sočiva ovog tipa su galaktička jata Abell 370 (deformiše sliku jedne spiralne galaksije) i Abell 2218 (najmasivnije galaktičko jato).

ajnstajnov krst
Kvazar "Ajnoštajnov krst"

Gde se ovaj efekat upotrebljava?

U zavisnosti od toga da li je u pitanju gravitaciono makro ili mikro sočivo postoje različite upotrebe ovog efekta.

Pošto su u većini slučajeva gravitaciona sočiva galaksije (znači, makrosočiva) onda se na osnovu geometrije sočiva može odrediti struktura te galaksije. Na osnovu rastojanja između likova se, takođe, može odrediti masa sočiva (galaksije). Ako uporedimo ovako dobijene podatke o masi galaksije i podatke dobijene posmatranjem „vidljive“ mase (jezgra galaksije), vidi se razlika. Pomoću posmatranja likova pozadinskog izvora dobija se masa veća od vrednosti dobijene posmatranjem „vidljive“ mase (jezgra galaksije). Znači, neophodno je da se „doda“ neka masa, koju ne možemo neposredno da vidimo, tj. da se pretpostavi postojanje tamne materije u halou te galaksije. Takođe se sreću i slučajevi kod kojih su rastojanja između likova manja od „propisane“ vrednosti, što predstavlja problem za takozvani CDM[5] model, model koji pretpostavlja, između ostalog, postojanje haloa u kome se nalazi tamna materija.

Gravitaciona makrosočiva se takođe primenjuju i u kosmologiji pri određivanju Hablove konstante tako što se mere kašnjenja signala sa dva lika pozadinskog izvora, što se dešava zbog različitih putanja tih signala, a kod kvazara se takođe sreću i varijacije u spektrima i intenzitetu svetlosti. Vrednost Hablove konstante, ovako dobijena (oko 60 km/s/Mpc), se poklapa sa ostalim vrednostima dobijenim drugim metodama merenja.

Pomoću makrosočiva se može odrediti i masa velikih struktura u Kosmosu kao što su galaktička jata, tako što se na osnovu svetlih lukova izvora određuje Ajnštajnov radijus i onda se, na osnovu toga, nađe masa sočiva. Ovo je jedna od najpouzdanijih metoda za određivanje mase jata galaksija. Posmatranjem galaktičkih jata Abell 370 i Abell 2390 izmerene su njihove mase i zaključeno je da ova jata sadrže oko 1000 galaksija masa naše Galaksije.

A što se tiče gravitacionih mikrosočiva, i ona imaju široku primenu u astronomiji. Upotrebljavaju se pri posmatranju zvezda u Magelanovim Oblacima („MACHO Project“[6]) i galaksiji M31 („SLOTT – AGAPE Project“[7]), koje se smatraju nepokretnim izvorima, i tako, registrujući pojačanje njihovog sjaja, registruje se prolazak nekog tela sastavljenog od tamne materije u halou naše Galaksije. Pored ovoga tu su i OGLE[8], EROS[9] i MOA[10]. Sva ova istraživanja su uperena ka registrovanju nevidljive mase u halou naše galaksije i kompletiranju naše slike o tamnoj materiji koja se nalazi u njemu.

Takođe, jedna od primena gravitacionih mikrosočiva je i u otkrivanju ekstrasolarnih planeta. Naime, ako posmatramo neki pozadinski izvor pomoću gravitacionog mikrosočiva koje je zvezda sa planetom (ili sistemom planeta), onda će sjaj objekta koji posmatramo biti veći od „propisane“ vrednosti. Tako možemo utvrditi da mikrosočivo sadrži planetu...

Nema puno planeta koje su na ovaj način otkrivene (svega devet), ali jedna je veoma značajna. To je OGLE-2005-BLG-390Lb. Rastojanje između nje i zvezde oko koje rotira iznosi oko 3 AJ, a masa joj je 5,5 puta veća od Zemljine. Može se reći da su ovo povoljni uslovi za nastanak života, a i u tome je i prednost ove metode otkrivanja ekstrasolarnih planeta u odnosu na ostale koje otkrivaju mahom planete gasne džinove.

Buduća upotreba

Gravitaciona sočiva predstavljaju jednu od najpopularnijih tema među astronomima i već sada postoje planovi za neke projekte koji će pomoći da u budućnosti još bolje razumemo ovaj efekat i da još više saznamo o njemu.

Prvi od tih projekata je LSST[11], čiji će teleskop od 8,4 metara biti montiran u Čileu (Cerro Pachón) i čiji će cilj biti digitalno snimanje slabih objekata na celom nebu među kojima će se naći i gravitaciona sočiva. Početak misije je planiran za 2013. godinu.

Takođe, tu je i projekt SNAP[12] čiji je primarni zadatak otkrivanje prirode tamne energije pomoću posmatranja supernovih tipa Ia. Pored ovoga, zadatak ovog projekta je i otkrivanje slabih gravitacionih sočiva u širokoj oblasti na nebu. Početak ovog projekta je, takođe, planiran za 2013. godinu.

Još jedan projekat je SKA[13], mreža radio teleskopa koji će biti do 100 puta osetljiviji od današnjih i pomoću kojih će se otkriti veliki broj gravitacionih sočiva (pretpostavke - oko milion) što će uzrokovati to da gravitaciona sočiva više neće biti retkost. Misija je planirana za 2015. godinu, a ova mreža će se nalaziti u Australiji ili Južnoj Africi.

Svi ovi projekti će doprineti razvoju novih oblasti posmatračke astrofizike i kosmologije koje će izučavati jako rotirajuće gravitaciono polje, a očekuju se detekcije gravitacionih talasa. Takođe će se moći posmatrati i tamna materija. I na kraju ocekujte da ce se u ne bas dalekoj buducnosti otkriti na stotine novih galaksija-sočiva malih masa.

Ovo je samo početak...

Reference i literatura za dalje čitanje

[1] Gravitaciona sočiva, Luka Č. Popović, Časopis „Vasiona“, godina 2000, broj 4
[2] Lectures on Gravitational Lensing, R. Narayan & M. Bartelmann
[3] Gravitational Lensing in Astronomy, J. Wambsganss
[4] Cosmology with Gravitational Lensing, S. M. Chitre, Y. Mellier, D. Narasimha & B. Fort
[5] Gravitational Lensing – basics, „Living Reviews in Relativity“, J. Wambsganss
[6] The Importance of Einstein Rings, C. S. Kochanek, C. R. Keeton & B. A. McLeod
[7] Strong Gravitational Lensing, O. Wucknitz, M. Garrett, N. Jackson & D. Engels
[8] Week Gravitational Lensing, M. Bartelmann & P. Schneider
[9] „Gravitaciona sočiva: pogled u istoriju Univerzuma“, Predrag Jovanović (tonski zapis predavanja)

[1]Johann Georg von Soldner (1776 - 1833), nemački astronom

[2] Fritz Zwicky (1898 - 1974), američki astronom

[3] Walsh, D., Carswell, R. F. & Weymann, R. J., Nature 279, 381 (1979)

[4] 1985. godine je otkriven i tada su zapažena samo dva lika, a 1988. godine, kada su uočena još dva, ovaj kvazar je dobio naziv Ajnštajnov krst

[5] CDM – Cold Dark Matter

[6] “Massive Astrophysical Compact Halo Object” – mačo objekti

[7] „System Lensing Observations at Toppo Telescope Andromeda Galaxy and Amplified Pixels Experiment“

[8] „Optical Gravitational Lensing Experiment“

[9] „Expérience pour la Recherche d’ Objects Sombres“

[10] „Microlensing Observations in Astrophysics“

[11] „Large Synoptic Survey Telescope“

[12] „SuperNova Acceleration Probe“

[13] „Square Kilometre Array“

 


Dodaj komentar