Интерактивная симуляция гравитационного линзирования: перетащите массивный объект, чтобы искривить пространство-время, и наблюдайте кольца Эйнштейна, множественные изображения и дуговые искажения
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Когда свет от удалённого источника проходит вблизи массивного объекта переднего плана (линзы), его траектория искривляется под действием кривизны. Угол отклонения для луча света, проходящего на прицельном параметре ξ от точечной массы M, составляет α = 4GM/(c²ξ), что ровно вдвое больше ньютоновского предсказания — это было подтверждено экспедицией Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года. Такое отклонение вызывает три ключевых наблюдаемых эффекта: (1) Множественные изображения — источник может появляться в нескольких позициях вокруг линзы. (2) Увеличение — изображения становятся ярче или тусклее из-за фокусировки/дефокусировки световых лучей. (3) Искажение — изображения растягиваются по касательной, образуя дуги. Радиус Эйнштейна θ_E = √(4GM D_LS / (c² D_L D_S)) задаёт угловой масштаб линзирования, где D_L, D_S, D_LS — угловые диаметральные расстояния до линзы, до источника и от линзы до источника.
Когда источник, линза и наблюдатель идеально выровнены, источник выглядит как полное кольцо — кольцо Эйнштейна — с угловым радиусом θ_E. Для типичной галактической линзы при z_L ~ 0,5 и источнике при z_S ~ 2, θ_E ~ 1 угловая секунда. При небольшом смещении выравнивания кольцо распадается на две дуги по противоположным сторонам. Для источника вблизи каустики складки могут образоваться четыре изображения в форме креста — Крест Эйнштейна (Q2237+0305, открыт в 1985 году). Конфигурация изображений зависит от положения источника относительно каустик линзы: внутри тангенциальной каустики образуется 4 изображения (или кольцо), снаружи — 2 изображения (или 1, если источник далеко от линзы). Увеличение расходится на каустиках (математически бесконечно для точечного источника; в реальности конечный размер источника и протяжённое распределение массы ограничивают его).
Картирование тёмной материи: гравитационное линзирование отклоняет свет независимо от того, видима ли линза или нет, что делает его наиболее прямым методом исследования распределения тёмной материи. Обзорные исследования слабого линзирования (DES, KiDS, Euclid) измеряют крошечные когерентные искажения миллионов галактик для картирования крупномасштабной структуры. Сильное линзирование скоплениями галактик создаёт впечатляющие дуги и множественные изображения, выявляя массовые профили скоплений. Обнаружение экзопланет: микролинзирование возникает, когда звезда переднего плана проходит перед звездой заднего плана, временно увеличивая её яркость. Если у звезды переднего плана есть планета, на кривой блеска появляется кратковременный дополнительный всплеск — таким способом обнаружено более 200 экзопланет. Космология: временные задержки между множественными изображениями (например, проект H0LiCOW) позволяют независимо измерить постоянную Хаббла H₀. Эволюция галактик: увеличение за счёт линзирования действует как естественный телескоп, позволяя наблюдать otherwise слишком тусклые галактики в ранней Вселенной (например, JWST использует линзирование скоплений). Проверка гравитации: сравнение массы линзирования с рентгеновской/динамической массой проверяет ОТО в галактических масштабах.
На холле отображается удалённая фоновая сетка (представляющая плоскость источника), искажённая гравитационной линзой в центре. Перетащите жёлтую массу линзы, чтобы переместить её, и наблюдайте, как искажение следует за ней. Отрегулируйте ползунок массы линзы, чтобы изменить радиус Эйнштейна — бóльшая масса создаёт более сильное отклонение и больший кольцо. Ползунок расстояния до источника изменяет расстояние до плоскости источника, влияя на радиус Эйнштейна (более близкие источники линзируются слабее). Начните с пресета «Идеальное выравнивание»: линза расположена прямо на источнике, создавая полное кольцо Эйнштейна. Попробуйте «Небольшое смещение», чтобы увидеть, как кольцо распадается на две дуги. «Гигантская дуга» показывает очень массивную линзу с источником вблизи каустики. «Крест Эйнштейна» демонстрирует формирование четырёх изображений. Переключайте «Фоновая сетка» для просмотра деформации плоскости источника, «Галактика-источник» для отображения кругового источника, искажающегося в дуги, «Световые лучи» для отслеживания траекторий фотонов от источника к наблюдателю и «Кольцо Эйнштейна» для наложения теоретического радиуса кольца.