Кольцо Эйнштейна

Кольцо Эйнштейна, также кольцо Эйнштейна — Хвольсона — изображение какого-либо источника света (галактика, звезда и т. п.), искажённое до кольцеобразной формы под действием более близкого объекта очень большой массы (например, другой галактики или чёрной дыры) в результате гравитационного линзирования^[1][2]. Явление возникает, когда источник излучения, объект-линза и наблюдатель находятся на одной прямой.

Первое полное кольцо Эйнштейна, обозначаемое B1938+666, было открыто в рамках совместной работы астрономов Университета Манчестера и наблюдателей на телескопе Хаббл в 1998 году^[3].

Гравитационное линзирование предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности. Свет от источника движется не строго по прямой линии (в трёхмерном пространстве), но его траектория изгибается при наличии массивного тела, искривляющего пространство-время. Кольцо Эйнштейна представляет собой особый тип гравитационного линзирования, вызванного точным расположением источника, линзы и наблюдателя вдоль одной прямой. Такая конфигурация приводит к симметрии изображения вокруг объекта-линзы и выглядит как кольцеобразная структура.

Размер кольца Эйнштейна задаётся радиусом Эйнштейна. В радианах его значение равно

${\displaystyle \theta _{1}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {d_{LS}}{d_{L}d_{S}}}}},}$

где

${\displaystyle G}$ — гравитационная постоянная,

${\displaystyle M}$ — масса линзирующего объекта,

${\displaystyle c}$ — скорость света,

${\displaystyle d_{L}}$ — угловое расстояние до линзы,

${\displaystyle d_{S}}$ — угловое расстояние до источника

${\displaystyle d_{LS}}$ — угловое расстояние между линзой и источником.

Заметим, что в общем случае ${\displaystyle d_{LS}\neq d_{S}-d_{L}}$.

Искривление света гравитирующим телом было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1912 году, за несколько лет до публикации общей теории относительности в 1916 году (Renn et al. 1997). Кольцеобразное явление впервые было упомянуто Орестом Хвольсоном в короткой статье 1924 года, в котором автор указывал на «эффект гало», возникающий при расположении источника, объекта-линзы и наблюдателя вдоль одной прямой^[5]. Эйнштейн отметил этот эффект в 1936 году в статье, идея которой была навеяна письмом чехословацкого инженера Р. В. Мандля^[6], при этом утверждая, что наблюдать такое явление практически невозможно из-за необходимости как точного расположения объектов и наблюдателя вдоль одной прямой, так и малой разрешающей способности инструментов наблюдения. Однако Эйнштейн рассматривал только линзирование света звёздами, а такое явление действительно маловероятно наблюдать. Но линзирование галактиками или чёрными дырами наблюдать проще вследствие большего размера кольца Эйнштейна.

На данный момент, по-видимому, не было наблюдений линзирования света звезды другой звездой, но существует 45 % вероятность пронаблюдать такое явление в начале мая 2028 года, когда Альфа Центавра A пройдет между Солнцем и более далёкой красной звездой^[7].

В настоящее время известны сотни явлений гравитационного линзирования. Среди них есть фрагменты колец Эйнштейна с диаметрами до нескольких угловых секунд. Поскольку в общем случае распределение массы в объекте-линзе не является абсолютно осесимметричным или же источник, линза и наблюдатель не находятся строго на одной прямой, то мы редко наблюдаем идеальное кольцо Эйнштейна. Большинство колец было открыто в радиодиапазоне.

Первое кольцо Эйнштейна открыли Хьюитт и др. (1988), наблюдавшие радиоисточник MG1131+0456 на телескопах Very Large Array. Наблюдение показало, что квазар линзируется близкой галактикой, что приводит к возникновению двух очень похожих изображений одного и того же объекта. Изображения вытянуты вокруг объекта-линзы в почти полное кольцо^[10] .Такие двойные изображения также могут быть следствием неколлинеарного расположения источника, линзы и наблюдателя.

Первым открытым полным кольцом Эйнштейна стало B1938+666, обнаруженное Кингом и др. (1998) по оптическим данным после наблюдения линзы, проведенного на инструменте MERLIN^[3][11]. Галактика, чьё влияние приводит к формированию линзированного изображения B1938+666, является старой эллиптической галактикой, а линзируемый объект представляет собой тёмную карликовую галактику-спутник, которую в отсутствии линзирования мы не смогли бы пронаблюдать при современной технике^[12].

В 2005 году совместная работа в рамках обзора Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и телескопа Хаббл использовалась в обзоре Sloan Lens ACS (SLACS), что привело к обнаружению 19 новых гравитационных линз, 8 из которых обладали кольцами Эйнштейна,^[13] они показаны на изображении справа. По состоянию на 2009 год в рамках обзора были найдены 85 гравитационных линз^[14]. Данный обзор позволил обнаружить наибольшее количество колец Эйнштейна в оптическом диапазоне, среди которых

• FOR J0332-3557, открытое Remi Cabanac и др. в 2005 году,^[15] примечательно большим красным смещением, что позволяет использовать объект для исследования ранних этапов развития Вселенной.
• «Космическая подкова» является частичным кольцом Эйнштейна, наблюдавшимся у линзы LRG 3-757, крупной яркой красной галактики. Открыто в 2007 году В. Белокуровым и др.^[16]
• SDSSJ0946+1006, «двойное кольцо Эйнштейна» открыто в 2008 году Рафаэлем Гавацци и Томассо Трю^[17] и примечательно наличием нескольких колец вокруг одной гравитационной линзы.

• Другим примером является радио-/рентгеновское кольцо вокруг PKS 1830—211, неожиданно яркое в радиодиапазоне^[19]. Кольцо открыли в рентгеновском диапазоне Varsha Gupta и др. по наблюдениям телескопа Чандра^[20] Это первый случай наблюдения квазара, линзированного видимой почти плашмя спиральной галактикой.^[21].
• Также существует радиокольцо вокруг галактики MG1654+1346, изображение в кольце является изображением радиолопасти квазара, открытого в 1989 году G.Langston и др.^[22]
• Полное кольцо Эйнштейна открыто вокруг ядра близкой эллиптической галактики NGC 6505^[23].

Рафаэль Гавацци из STScI и Томмасо Трю из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре по данным телескопа Хаббл обнаружили двойное кольцо Эйнштейна. Излучение приходит от трёх галактик на расстоянии 3,6 и 11 млрд световых лет. Такие кольца помогают исследовать распределение тёмной материи, тёмной энергии, изучать природу далёких галактик и кривизну Вселенной. Шанс обнаружить такое кольцо оценивается как 1 к 10 000. Наличие 50 двойных колец позволит астрономам более точно определить распределение тёмной материи и уравнение состояния тёмной энергии.^[24]

Справа представлено изображение по данным моделирования прохождения чёрной дыры Шварцшильда в плоскости Млечного Пути между нами и центром Галактики. Первое кольцо Эйнштейна является очень сильно деформированным участком изображения и показывает галактический диск. При увеличении видна серия из 4 дополнительных колец с уменьшающейся шириной по мере приближения к тени чёрной дыры. Эти кольца также представляют собой изображения диска Галактики. Первое и третье кольцо соответствуют точкам за чёрной дырой (с точки зрения наблюдателя) и соответствуют яркой жёлтой области диска Галактики (ближе к центру), а второе и четвёртое кольцо соответствуют изображениям объектов за наблюдателем, кажущихся более голубыми из-за меньшей толщины галактического диска.

• 
  Арки вокруг SDSSJ0146-0929 представляют собой фрагменты кольца Эйнштейна.^[25]
• 
  Моделирование прохождения чёрной дыры перед галактикой

• Cabanac, R. A. et al. Discovery of a high-redshift Einstein ring (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — 2005. — Vol. 436, no. 2. — P. L21—L25. — doi:10.1051/0004-6361:200500115. — Bibcode: 2005A&A...436L..21C. — arXiv:astro-ph/0504585. (refers to FOR J0332-3357)
• Chwolson, O. Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne (англ.) // Astronomische Nachrichten. — Wiley-VCH, 1924. — Vol. 221, no. 20. — P. 329—330. — doi:10.1002/asna.19242212003. — Bibcode: 1924AN....221..329C. (The first paper to propose rings)
• Einstein, Albert^[англ.]. Lens-like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field (англ.) // Science. — 1936. — Vol. 84, no. 2188. — P. 506—507. — doi:10.1126/science.84.2188.506. — Bibcode: 1936Sci....84..506E. — PMID 17769014. (The famous Einstein Ring paper)
• Hewitt, J. Unusual radio source MG1131+0456 - A possible Einstein ring (англ.) // Nature. — 1988. — Vol. 333, no. 6173. — P. 537—540. — doi:10.1038/333537a0. — Bibcode: 1988Natur.333..537H.
• Renn, Jurgen; Sauer, Tilman; Stachel, John. The Origin of Gravitational Lensing: A Postscript to Einstein's 1936 Science paper (англ.) // Science. — 1997. — Vol. 275, no. 5297. — P. 184—186. — doi:10.1126/science.275.5297.184. — Bibcode: 1997Sci...275..184R. — PMID 8985006.
• King, L. A complete infrared Einstein ring in the gravitational lens system B1938 + 666 (англ.) // MNRAS. — 1998. — Vol. 295, no. 2. — P. L41—L44. — doi:10.1046/j.1365-8711.1998.295241.x. — Bibcode: 1998MNRAS.295L..41K. — arXiv:astro-ph/9710171.
• Kochanek, C. S.; Keeton, C. R.; McLeod, B. A. The Importance of Einstein Rings (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2001. — Vol. 547, no. 1. — P. 50—59. — doi:10.1086/318350. — Bibcode: 2001ApJ...547...50K. — arXiv:astro-ph/0006116.

• Barbour, Jeff (29 апреля 2005). Nearly perfect Einstein ring discovered. Universe Today. Дата обращения: 15 июня 2006. (refers to FOR J0332-3357)
• Hubble Finds Double Einstein Ring. Science Daily. 12 января 2008. Дата обращения: 14 января 2008.