GRAVITACIONA SOČIVA: od ideje do primene (deo drugi)

Osnovni problem sa ovim tipom gravitacionih sočiva je u sigurnosti da se radi o višestrukim likovima jednog pozadinskog kvazara, a ne o nekoj vrsti fizičke povezanosti pojedinačnih kvazara. Kriterijumi prema kojima se ovi kandidati klasifikuju su: sličnosti u optičkim bojama likova, sličnost u crvenim pomacima likova (pojam crvenog pomaka je u bliskoj vezi sa daljinom do objekta) ali i znatno nižoj vrednosti crvenog pomaka sočiva, dok se spektri različitih likova karakterišu sa: od identični do veoma slični. Takođe, ako je kvazar promenjivog sjaja tada fluksevi koji se mere za svaki od likova imaju krive sjaja koje odgovaraju promeljivosti sjaja samog kvazara (uz uračunato eventualno vremensko kašnjenje signala).

Važno je navesti da se ne insistira na potpunoj ispunjenosti navedenih kriterijuma. Za to postoje dobri razlozi: galaksija-sočivo može biti superponirana sa nekim od likova čime se lik izvora dodatno menja, optička boja i spektar mogu biti promenjeni pod uticajem apsorpcije na česticama prašine međuzvezdane sredine, kvazar može biti promenljiv na vremenskoj skali koja je kraća od vremenskog kašnjenja, mikrosočiva mogu uticati na krive sjaja pojedinih likova itd. Stoga se ovakvi sistemi najčešće proučavaju pojedinačno i veoma detaljno, u cilju preciznijeg razumevanja konfiguracije izvora, likova i sočiva.

1.2. Ajnštajnovi prstenovi

Ukoliko je izvor savršeno poravnat sa nekim gravitacionim sočivom u odnosu na posmatrača, javlja se prstenasta slika pozadinskog objekta (Slika 4).

Slika 4. Primer Ajnštajnovog prstena. Izvor: Wikimedia.

Teoretičari su još na samom početku izučavanja gravitacionih sočiva zaključili da bi se u slučaju simetrične konfiguracije mogao dobiti prstenast lik izvora, koji su nazvali Ajnštajnov prsten. Zbog svojih specifičnih položaja jasno je bilo da je verovatnoća za detekciju ovakvog sistema jako mala. I sam Ajnštajn je baveći se ovom tematikom, 1936. godine, zapisao: "Ali naravno, ne postoji nada za direktno posmatranje ovog fenomena.” [4]. Ipak, prvi prstenasti lik kvazara je detektovan 1988. godine, za izvor MG1131+0456, sa prečnikom prstena 1".75!

Do sad je identifikovano više desetina gravitacionih sočiva sa prstenastim likom kvazara (Slika 5); i to i u radio, i u optičkom i u infracrvenom opsegu elektromagnetnog zračenja. Neki likovi su pokidani prstenovi, sa dva ili tri prekida. Većina Ajnštajnovih prstenova imaju dve komponente: produženu i kompaktnu, na koje galaksija-sočivo različito deluje, što se koristi pri određivanju vremenskog kašnjenja signala sa likova i Hubblove konstante. Najvažnija prednost prstenastih sistema u odnosu na one sa višestrukim likovima je u njihovoj primeni za određivanje strukture sočiva, pa nam tako Ajnštajnovi prstenovi pomažu u razumevanju raspodele mase galaksija.

Slika 5. Uporedni prikaz različitih objekata čiji likovi formiraju Ajnštajnov prsten. Izvor: Wikimedia.

Veoma značajno otkrće sa sredine prošle decenije je detekcija dvostrukih Ajnštajnovih prstenova. Ovakva struktura nastaje kada se tri galaksije nađu u liniji sa posmatračem.

Sledeća animacija je sjajan prikaž nastanka Ajnštajnovog prstena, tj. kako geometrijska konfiguracija izvor-sočivo-posmatrač utiče na izgled deformacije izvora. Simuliran je prelaz crne rupe preko galaksije.

1.3. Džinovski sjajni lukovi

Još je Fric Cviki (Fritz Zwicky), 1930-tih godina, istakao da gravitaciona sočiva mogu delovati i na galaksije, ne samo na kvazare. Takođe je i dodao da bi zahvaljući razvučenoj strukturi galaksija, njihovi likovi nastali usled dejstva gravitacionih sočiva bili dramatičnije izmenjeni u odnosu na likove kvazara.

Godine 1986. dve grupe istraživača nezavisno su ukazale na postojanje izuzetno izduženih i zakrivljenih objekata koji se nalaze u blizini velikog jata galaksija. Postavljene su brojne hipoteze u pokušaju da se objasni postojanje ovih lukova i sve su se pokazale netačnim, osim jedne koja je kretala od fenomena crvenih pomaka. Utvrđeno je da su crveni pomaci lukova daleko veći od crvenog pomaka jata, što je bio direktan dokaz da su lukovi u stvari pojačani i izobličeni likovi neke normalne galaksije koja se nalazi daleko iza galaktičkog jata.

Slika 6. Jato galaksija Abel 2218 (Abell 2218 ). Izvor: Wikimedia.

Kako raspodela mase u jatima galaksija nije sferno-simetrična, a izvor i sočivo često nisu baš na istom pravcu, nije pronađen ni jedan celovit Ajnštajnov prsten koji zaokružuje jato galaksija u potpunosti. Postoji veliki broj primera spektakularno dugih lukova sa dužinom i do 20 lučnih sekundi. Na Slici 6 uočljivi su sjajni lukovi u okolini jednog od masivnijih jata galaksija poznatog kao Abel 2218.

Veliki svetleći lukovi nam donose izuzetno uvećane likove vrlo dalekih galaksija, koje bi bez uticaja ovakvih sočiva bile previše blede i za nas potpuno nevidljive. Zahvaljujući ovako jakim sočivima imamo informacije o galaksijama iz najudaljenijih delova Svemira.

Ovde bi se vratila na početak prethodnog teksta i češirsku mačku. Galaktičko jato u kome se nalaze žute oči i beli nos su veoma sjajne galaksije i čine masivnu strukturu koje snažno zakrivljuju prostor-vreme oko njih. Samim tim, izgled galaksije koja se nalazi iza biva drastično deformisan, razvučen u lukove i pojačanog sjaja, definišući oblik glave.

Slika 7. Jato galaksija SDSS J1038+4849. Izvor: JPL/NASA.

2. Gravitaciona mikrosočiva

Kod jakih gravitacionih sočivima pričamo o gravitacionim efektima koje izazivaju mase reda galaksije do reda jata galaksija. Očekivane su spektakularne posledice koje smo i videli na slikama iznad. Gravitaciona mikrosočiva su kompaktni objekti (relativno malih dimenzija i malih masa), samim tim neće doći do stvaranja višestrukih likova, ili lukova, ali ono što posmatrač može da opazi je povećanje intenziteta sjaja.Najčešći primeri za mikrosočiva su zvezde, braon patuljci ili planete.

Nisam našla odgovarajuću sliku kojom bih mogla da potkrepim priču, pa sam eksluzivno crtala za vas :D (Slika 8). Posmatramo izvor sa zemlje, i između nas prolazi mikrosočivo. Na dnu slike se nalazi grafik koji pokazuje jačinu zračenja izvora koju merimo. Vidimo da kako se sočivo približa pravcu koji spaja nas sa izvorom, intenzitet svetlosti se povećava i maksimalna vrednost je u trenutku geometrijskog poravnjanja, pa potom opada. Drugi slučaj je kada se u orbiti sočiva nalazi njen satelit (sistem zvezda-planeta), i satelit postaje mikrosočivo za sebe. Na grafiku koji pokazuje intenzitet zračenja vidimo mali skok u intenzitetu koji nam govori o prisustvu mikrosočiva. Veoma značajan metod za otkrivanje ekstrasolarnih planeta!

Slika 8. Model gravitacionog mikrosočiva. Izvor: @tellurian.

3. Slaba gravitaciona sočiva

Sočiva čija je masa nedovoljna da izazove bilo koji od prethodnih efekata su slaba gravitaciona sočiva (Slika 9). Uticaj slabih sočiva na pozadinske objekte manifestuje se skretanjem svetlosti u gravitacionom polju koje nije dovoljno veliko da može biti mereno na pojedinačnim likovima već ga određujemo statistički na velikim grupama likova. Ovaj efekat je značajno češći u odnosu na prethodna dva slučaja. U principu, slaba sočiva deluju duž svih pravaca u svemiru budući da na putanju svakog fotona utiče nehomogenost raspodele mase duž njegovog pravca prostiranja.

Slika 9. Efekat slabog gravitacionog sočiva. Preuzeto i modifikovano: Wikimedia.

Naizgled efekat slabih gravitaciona sočiva deluje zanemarljiv, ali upravo su ona moćan alat u posmatranju tamne materije i pomoć u razumevanju velikih kosmičkih struktura (Slika 10.)

Slika 10. Kosmos na velikoj skali. Izvor: Wikipedia.