|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Гравитационная фокусировка |
 |
Фокусировка излучения под действием гравитационного поля массивных тел
Анимация
На рис.1: С - Солнце, α - угол отклонения частицы.
Гравитационная фокусировка – свойство гравитирующего объекта отклонять проходящий мимо него поток частиц или излучения и собирать (фокусировать) его. Гравитирующий объект действует при этом наподобие оптической или электромагнитной линзы.
Нужно показать в анимации формулу расчета угла отклонения
Формулу показать красным. Указать в анимации следующие входные параметры (выделить синим) - расстояние b от луча до оси, на которой лежит Солнце, массу Солнца М. Выходной параметр - угол α (выделить красным).
Гравитационная линза
Рис.1
Описание
Гравитационная фокусировка – свойство гравитирующего объекта отклонять проходящий мимо него поток частиц или излучения и собирать (фокусировать) его. Гравитирующий объект действует при этом наподобие оптической или электромагнитной линзы.
Гравитационная фокусировка разреженного межзвёздного газа происходит, например, при движении сквозь него звёзд и Солнца. Солнце своим тяготением собирает поток газа вдоль луча, направленного в сторону, противоположную движению Солнца. Уплотнение потока газа вдоль луча фокусировки непосредственно наблюдается по его излучению приборами, установленными на космических аппаратах.
При прохождении света вблизи гравитирующего тела траектория фотонов искривляется, свет притягивается к телу. Для обычных тел угол отклонения ее мал, он выражается формулой
где b – прицельный параметр, М – масса тяготеющего тела, G – гравитационная постоянная. В случае точечного источника света А, лучи которого идут к наблюдателю мимо тяготеющего тела В и огибают его с противоположных сторон, наблюдатель увидит два изображения точечного источника. Если источник света протяжённый, то наблюдатель увидит два сильно астигматичных изображения объекта. Тело В, которое своим тяготением искривляет лучи, получило название гравитационной линзы. Если гравитирующая масса линзы В не сосредоточена в центре объекта, а распределена по некоторому объёму, и лучи света могут свободно проходить через эту массу (такой случай реализуется для большей части объёма галактик или скоплений галактик), то траектории лучей будут более сложными. Наблюдатель сможет увидеть два или три изображения светящегося объекта. Третий луч может проходить через центр, часть гравитационной линзы, почти не отклоняясь от своего пути.
Фокусировка массивным космическим телом C (Солнцем или звездой) набегающего потока частиц
Рис. 1
Гравитационная фокусировка света – тонкий эффект, обнаруживаемый на грани возможностей астрономических наблюдений. Если же фокусируемый агент имеет скорость много меньше скорости света, эффективность фокусировки существенно возрастает. При скорости в несколько сотен км/с усиление плотности потока звездами и шаровыми звездными скоплениями достигает пятнадцати порядков, нейтронными звездами и черными дырами – двадцати двух порядков.
Важно отметить, что угловой радиус кольца вокруг звезды, откуда идет усиленный поток света, не превышает десятков угловых секунд. Вокруг этого кольца расположена обширная область с пониженной плотностью потока. Так как в процессе гравитационной фокусировки частицы не рождаются, а только перераспределяются в пространстве, плотность потока, усредненная по обеим областям, не может сильно отличаться от плотности несфокусированного потока. Отсюда следует важная особенность эффекта: его можно обнаружить лишь при условии, что устройство, регистрирующее поток гравитационно сфокусированного звездой агента, имеет достаточно высокое угловое разрешение. Для наблюдения эффекта от звезд необходимо угловое разрешение не хуже нескольких минут.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Открытие гравитационных линз является ещё одним подтверждением общей теории относительности.
Гравитационные линзы являются и важным инструментом астрономических исследований. Так, например, с их помощью можно получить независимую от других методов исследований оценку величины постоянной Хаббла, характеризующей в зависимости от расстояний скорости убегания от нас астрономических объектов, находящихся на космологических расстояниях; оценить массы гравитационных линз, большая часть которой испускает слишком мало электромагнитного излучения для того, чтобы быть обнаруженной с помощью стандартных астрономических методов; с помощью методов так называемого слабого гравитационного линзирования восстановить распределение поверхностной плотности удаленных скоплений галактик по наблюдаемому изменению формы удаленных фоновых галактик; по характерному изменению кривой блеска фоновой звезды или, говоря иными словами, по характерному изменению ее наблюдаемой светимости можно обнаружить невидимые объекты с массами порядка солнечной, то есть обнаружить события, связанные с проявлением событий так называемого микролинзирования.
Реализации эффекта
Проявление, по крайней мере, одной гравитационной линзы уже обнаружено. Открыта пара квазаров QSO 0957+561 А, В, находящихся на 5,7" друг от друга, имеющих идентичные спектры с красным смещением z=1,41. Отношение потоков от компонентов А и В в радио-, ИК-, оптическом и УФ-диапазонах практически одинаково (≈0,8), что является сильным подтверждением гипотезы гравитационной линзы. Гравитационной линзой в этом случае является галактика (или скопление галактик), лежащая по дороге от квазара к нам и создающая его двойное изображение.
Схематическое изображение гравитационной линзы. Массивное тело C, расположенное между источником излучения И и наблюдателем Н, искривляет лучи, и
наблюдатель видит два изображения А и В источника
Рис. 1
Гравитационная фокусировка света своеобразно проявляется при его распространении в пространстве, заполненном прозрачной тяготеющей материей. Тяготение материи, находящейся в конусе лучей, искривляет их, как схематически показано на рисунке 1. Чем дальше объект, тем большая масса содержится в конусе лучей, тем сильнее отклонение. Это приводит к тому, что, начиная с некоторого расстояния во Вселенной, более далекий объект имеет уже не меньшие угловые размеры, а большие, чем такой же объект, расположенный ближе.
Эффект увеличения видимых угловых размеров α источника излучения И с ростом космологического расстояния до наблюдателя Н
Рис. 1
Более детальное рассмотрение возможных эффектов, связанных с гравитационной фокусировкой Солнцем потоков галактических или внегалактических частиц, показало, что иногда (несколько десятков раз в год) должны происходить кратковременные (продолжительностью меньше суток) очень сильные всплески плотности потока, приходящего из околосолнечной области размером около 10
о. Это происходит тогда, когда небесные координаты центра Солнца и некоторой звезды сближаются до расстояния, не превышающего десятых долей градуса. В это время наблюдатель, двигаясь вместе с Землей вокруг Солнца, проходит через участок пространства, где поток, сфокусированный звездой (или другим удаленным астрономическим объектом) еще раз усиливается гравилинзированием Солнца.
Изменение коэффициента усиления K потока частиц
Рис. 2
Изменение коэффициента усиления K потока частиц, имеющих скорость 500 км/с, при сближении Солнца с «источником» потока. Минимальное угловое расстояние между направлением на «источник» и на центр Солнца 12 минут. a – первичный «источник», b – возникающий и исчезающий «источник».
Инструмент, дающий изображение в потоках частиц скрытой материи, показал бы следующую картину. В некоторый момент времени источник потока начинает двигаться с возрастающей скоростью вдоль эклиптики по ходу Солнца; позже траектория начинает изгибаться. В это же время на угловом расстоянии около 10o появляется второй источник потока, вначале слабый, а потом сравнимый по величине с первым. Через 1-2 недели оба источника занимают положение, симметричное плоскости эклиптики. Скорость их движения возрастает до нескольких градусов в сутки, а «яркость» многократно увеличивается. Продолжительность «вспышки» – от часа до суток. Чем ярче «вспышки», тем они короче. После этого источники описывают траектории, симметричные траекториям до «вспышки», первый источник возвращается в исходное положение, а второй «гаснет». Эту картину следует дополнить замечанием о том, что оптически видимое изображение Солнца из-за движения Земли по орбите сдвинуто относительно Солнца, производящего описанные эффекты, на угол около 5o в сторону его движения по эклиптике.
Литература
1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия. 1988.
2. Тернер Э.Л. Гравитационные линзы. «В мире науки», 1988, № 9
3. Блиох П.В., Минаков А.А. Гравитационные линзы. М.: Знание, 1990
Рассеяние света
Взаимодействие света с веществом
Электромагнитные колебания и волны
Релятивистская механика
