理论物理学

引力的幻象

通过弯曲时空,物质弯曲了光线的轨迹,放大并扭曲了遥远星系的图像。对这些引力幻象的研究揭示了宇宙的隐藏物质。

弗朗西斯·贝纳多 对于科学N°326
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在沙漠中,燃烧的沙子加热了空气团,降低了它们在地面附近的折射率。光线的路径然后弯曲,不幸的迷路人认为他看到了几公里外的绿洲。

这样的海市ages楼也发生在宇宙中。爱因斯坦从1915年发表广义相对论开始,就提出了这样一个思想,即物质集中的引力场通过使周围的时空变形,可以使光线的轨迹弯曲,从而可以使光线的倍增。 ,扭曲或放大背景中星星的图像。奥地利天文学家弗里茨·兹维克(Fritz Zwicky)在​​1930年代表明,星系足够大,可以制造出可检测到的海市ages楼。直到1979年,英国Jodrell Banks天文台的Dennis Walsh才在天空中并排观察到同一类星体的两个相同图像-具有遥远活动核的星系。

从恒星的光度的暂时增加到数百万个星系的微弱但系统的变形,包括遥远星系的拉伸和倍增图像,如今,引力海市ages楼的观测如今已很普遍。从简单的好奇心出发,这些光学效应已成为天文学必不可少的工具。在研究了原理之后,我们将详细介绍它们对银河团簇和宇宙中物质大规模分布研究的贡献。

引力点是由于光线在光源和观察者之间的视线附近由于物质的集中而偏转而产生的。广义相对论预测,当空间因引力场而变形时,光线会遵循时空的曲率而遵循最短路径-测地线。因此,位于光路中的质量会弯曲光源发出的光的路径,并将其拍向观察者。这一射线观察到的射线在没有偏转的情况下是看不到的,因此光源的图像经常被放大,其光度被放大。因此,我们说的是引力透镜而不是海市ages楼 (见图2).

引力透镜产生的光线偏差越大,偏转物体越大,光从该物体射出的越少,其越小。结果,光线不会会聚在一个点上,而是会聚在一条线或一个表面上:重力透镜是散光的。

如果观察者,光源和透镜对齐,并且偏转块具有球形对称性,则图像会形成所谓的爱因斯坦环。然而,最常见的是,质量分布复杂且排列不完美,因此图像显示了一系列形状和亮度变化的斑点。重力透镜在光源的不同区域作用不均匀。一些元素被放大或严重扭曲,另一些元素似乎被放大。图像中放大倍数最大的线称为临界透镜线。它们在源平面上对应于称为焦散的曲线,类似于“经典”焦散,即光线在表面反射后会聚的区域(例如,在一碗牛奶中观察到了焦散)。从侧面照亮)。当我们在这样的苛性条件下移动时,我们会观察到光源的多个图像。在重力透镜的情况下,情况则相反:观察者是固定的,当天体位于“焦散”上(在源平面内)时,其图像会倍增并放大。

简单的星星可以根据对齐方式发挥引力透镜的作用,并暂时放大背景星星的亮度 (请参阅第87页的附栏)。然而,最壮观的镜头是星系团的事实,它通过重力将多达数十个星系聚集在一起。这些结构是宇宙中最大的结构,不仅可以使背景中的图像大大变形,而且可以形成大量不同的图像。因此,星团Abell 2218将遥远星系的图像转换成发光弧的万花筒 (见图1). 在数百个星系团中都观察到了这些所谓的强透镜效应。

这些变形向天文学家揭示了星系团的结构。对由重力透镜引起的变形的分析使得可以计算在该透镜的原点处的偏转物体的质量分布。临界线的位置例如与它们限定的区域中包含的总质量直接相关。因此,今天的星系团的质量似乎比理论模型所建议的更集中在其中心。同样,引力畸变的构型揭示了团簇的密度分布:不对称的变形使得可以推断出存在复杂的子结构。对强透镜作用的观察最终证实,星团质量的主要部分由不可见物质组成,正如F. Zwicky在1930年所假定的那样,它解释了星团在星团中的运动。

物料的直接视图

这些结果在很大程度上证实了对星团内部星系速度的分析所指示的结果,即测量星团的引力或检查射线的发射。 x 充满星系之间空间的热气。假设这种气体处于静水平衡中-散布在星团的重力场中-天文学家推断出物质在星系群中的分布。强透镜法的精度约为10%,是研究星系团中心的质量分布最准确的方法。它还具有一个宝贵的优势:镜头是由所有存在的物质产生的,而不管其性质,动力学如何(与速度分析不同)以及热力学状态(与光学分析不同)演出 x。由于最小的物体以及最大的结构都会不同程度地干扰光线的传播,因此引力透镜是几乎直接观察宇宙中物质分布的一种手段。

天体物理学家利用引力透镜最脆弱的表现来研究例如星系团簇的外围区域,其中形变很小。但是,仔细观察后发现,在星团边缘可见的背景星系的所有图像都受到其引力的影响。这些变形的幅度(不超过百分之几)逐渐向外减小,直到远离偏转块为止变得很小。

这些所谓的弱透镜效应在单个星系上是无法检测到的,因为它们不如这些星系形状的固有波动明显。变形仍然可以在几个星系的集合上进行测量,因为它们在偏转器重力场的形状方面具有总体一致性。星系的图像最好沿星团的引力恒定的线拉伸(作为第一近似,围绕星团的同心圆)。对变形的统计分析使测量弱透镜的效果成为可能。

通过这种方法,天文学家已经确定了星系团簇的结构大约十年了。但是,当将这些分析应用于大量星系时,它们具有完整的含义。从星系的规模到大型河外调查的范围,这不再是对星团进行制图的问题,而是对宇宙中物质的全球分布及其波动的质疑。

穿过宇宙传播的光线被整体质量分布的引力场连续偏转,从而导致遥远星系图像的精细失真。因此,这些变形的统计数据反映了宇宙中大型结构的特性。给定尺度上的平均变形幅度称为宇宙散光或重力剪切。

近年来,宇宙散光研究急剧增长。 2000年,三个国际小组根据对200,000个星系的调查绘制了物质分布图 (见图3)。夏威夷法加两国望远镜的人口普查 ( 要么 CFHTLS宇宙剪切调查), 该项目始于2003年,是当今测量宇宙象散最雄心勃勃的项目。用相机 超级摄像头 天体物理学家收集了近一平方度深的天空图像,并编制了数千万个星系的庞大天文目录。完整的读数最终应覆盖近300平方度。这些测量是在天空中的随机方向上“盲目”进行的。在数据中心上搜索这些图像上星系微小变形的大规模相关性 Terapix 来自巴黎天体研究所。在验证了方法之后,各个团队目前正在努力消除系统的观测偏差。对天体形状的观察确实特别微妙。

散光和原始宇宙

宇宙学家从这项工作中获得了很多期望:像散直接表征了沿视线的物质密度的波动。在从弧度的几分钟到几度变化的角尺度上观察到的变形,提供了进入百万分之几亿光年尺度的物质分布的途径。因此,宇宙散光是大型宇宙结构的特征。其幅度在小范围内显着,并且在大范围内迅速减小。这表明在星系团的规模上,物质密度的变化非常明显,而在大面积上,空间是均匀的。

散光尤其反映了宇宙的总体暗物质含量。不与辐射相互作用的暗物质约占总物质的70%。不幸的是,它对光线的影响与不辐射的普通物质(或重子)(例如冷气体)几乎没有区别。但是,有关宇宙结构形成的理论预测,在没有暗物质的情况下,宇宙的早期会抑制小于银河团簇尺度的密度波动。辐射和物质仍然紧密耦合。相反,在小范围内强烈的宇宙散光的存在标志着原始宇宙中暗物质的存在。

因此,对宇宙像散的测量会限制两个基本的宇宙学参数,即密度波动的幅度为八兆帕, σ8,以及相对于临界密度的宇宙中物质的密度, Ωm。密度波动的幅度通过重力失稳机制控制着大型结构的形成。因此,空间区域表现出显着的密度波动(大于约1.7,而波动平均值等于0.9)本身被认为是坍塌的,从而导致星系团。临界密度是在无限膨胀与不可避免的收缩之间达到平衡所需的宇宙密度。经典物质仅占该临界密度的一部分。宇宙散光在这对参数上施加了约束,这证实了通过其他宇宙学测量获得的参数。因此,材料密度将为临界密度的30%,而密度波动将接近0.9。宇宙散光因此对理论宇宙学模型进行了检验。

除了研究宇宙的大型结构外,引力透镜还可以发现我们怀疑存在但无法通过常规方法观察到的奇异物体。根据定义,黑洞是不可见的,但是黑洞的存在越来越有保证。黑洞的引力场是如此之强,以至于附近通过的光线可能会发生很大的偏转,甚至绕着物体旋转数次,从而形成许多高度失真的多重图像。

借助引力透镜,也可以确认称为宇宙弦的理论物体的存在。宇宙弦是在宇宙冷却期间的特定相变期间形成的“拓扑缺陷”,例如当水突然冻结时在冰中产生的断裂线。它们的形成机制足够笼统,可以想象这些物体中至少有一些构成了宇宙。这些宇宙弦的发现将提供有关宇宙早期历史中涉及的物理机制的基本信息。如果形成弦的能量尺度等于基本力统一理论所描述的能量尺度,则可以观察到由弦产生的透镜效应。 (见图2)。另一方面,如果该能量低得多,则变形将更加微弱。

通过测量宇宙散光或检测外来物体的特征,引力透镜的作用与广角天文读数相结合,为观测宇宙学开辟了新窗口。爱因斯坦无疑会赞赏广义相对论与宇宙学之间的这种意想不到的联系。

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