GRAVITACIONA SOČIVA: od ideje do primene (deo prvi)

in #yu-stem5 years ago

Kroz tri naredna teksta ću pisati o lepoti i značaju gravitacionih sočiva, i pokušati da što slikovitije i jednostavnje ("ali ne jednostavnije od toga" :)) predočim kako dolazi do nastanka ovog izuzetnog fenomena. Za ovo putovanje će nam biti potrebno razumevanje osnovnih koncepata fizike, za koje sam sigurna da ste već čuli ako ne i uspešno misaono baratali. Osnov ovog fenomena su jako masiva tela koja samim tim imaju jaku gravitacionu silu. Gravitaciona sila ima osobinu da savija prostor, pa i snop zračenja koji prolazi pored tog masivnog tela. Najuporniji čitaoci koji stignu do kraja tekstova biće u mogućnosti da dublje razumeju Sliku 1, i pored nasmejanog lica (ili osmeha češirske mačke, kako ko voli) vide galaksije razvučene u svetle lukove ogromnih dimenzija.


Slika 1. Primer gravitacionog sočiva, jato galaksija SDSS J1038+4849. Izvor: JPL/NASA.

Dakle, gravitaciona sočiva su masivni objekti čije snažno gravitaciono polje izaziva promenu pravca prostiranja elektromagnetnog signala (zračenja na svim talasnim dužinama, u opštem slučaju svetlosnog signala) koji prolazi pored tih objekata, a potiče od nekog pozadinskog izvora (Slika 2). Promena pravca prostiranja signala, tj. skretanje fotona sa pravolinijskih putanja kojim su se kretali pre dejstva gravitacionog polja omogućava nam da posmatramo objekte koji bi inače bili, sasvim ili delimično, zaklonjeni samim sočivom, ili su pak toliko slabog sjaj da ih ne bismo videli.

Slika 2. Gravitaciono prostor-vreme zakrivljenje. Preuzeto i modifikovano: Wikipedia.

Efekat gravitacionog sočiva je predvideo Albert Ajnštajn (Albert Einstein) svojom Opštom teorijom relativnosti, i upravo je merenje ugla skretanja svetlosti u gravitacionom polju Sunca jedna od prvih potvrda te teorije.

U zavisnosti od mase i oblika gravitacionog sočiva, oblika izvora i geometrijske konfiguracije izvor-sočivo-posmatrač javljaju se različiti efekti kao što su: višestruki likovi pozadinskog objekta, pojačanje sjaja, promena položaja i deformacija lika (svi ovi efekti su ilustrovani na Slici 3). Osim pomenutog, javljaju se i prstenasti likovi pozadinskog objekta (tzv. Ajnštajnovi prstenovi), kao i ogromni svetli lukovi (Slika 1, o čemu će biti više reči u narednom tekstu).

Slika 3. Model gravitacionog sočiva i neki njegovi efekti. Preuzeto i modifikovano: Wikipedia

Pre manje od pola veka gravitaciona sočiva su smatrana interesantnom optičkom pojavom, da bi tokom par decenija, uz sve veći broj identifikovanih primera i tehnološki razvoj astronomskih instrumenata, gravitaciona sočiva postala nezamenljiv fenomen za razna astrofizička i kosmološka istraživanja.

Istorijski osvrt

Prva pisana razmišljanja o uticaju mase na putanju svetlosnog snopa se nalaze u knjizi Isaka Njutna (Isaac Newton), Optika, tj. njenom trećem izdanju (The Queries, The Third Book of Optick, 1717.), gde se bavio pitanjem: "Da li svetlosni zraci odstupaju od prave linije u gravitacionom polju nekog masivnog objekta?”. Tek početkom 19. veka, nemački astronom i matematičar Johan fon Zoldner (Joahann von Soldner) je dao prve proračune za ugao skretanja svetlosti u gravitacionom polju. On je na osnovu Njutnove mehanike izračunao da je ugao skretanja svetlosti u gravitacionom polju Sunca, α = 0.83".

Vek kasnije, 1916. godine, Albert Ajnštajn je dobio dvostruko veću vrednost, α = 1.74", računajući ugao skretanja svetlosti na osnovu tek objavljene Opšte teorije relativnosti. Odmah se nametnulo pitanje koji je od ova dva računa tačan, odnosno koja teorija: Njutnova klasična mehanika ili Ajnštajnova opšta teorija relativnosti bolje opisuje naš Svemir.


Slika 4. Isak Njutn, levo. Izvor: Wikipedia. Albert Ajnštajn, desno. Izvor: Wikipedia

Dobra prilika za proveru ovih teorija se pružila nekoliko godina kasnije, tačnije 29. maja 1919. godine, za vreme totalnog pomračenja Sunca. Ovo pomračenje Sunca je zasigurno najvažnije pomračenje u istoriji nauke, a dodatni šmek daje politička scena tog vremena. Nalazimo se u trenutku koji je samo 6 meseci daleko od kraja Prvog svetskog rata i u pitanje se dovodi ispravnost Njutnove teorije, samim tim i ugled Kraljevskog astronomskog društa i šire naučne zajednice Engleske. Pritom, teorija koja im oštro preti dolazi iz Nemačke.

Čovek ispred svoga vremena, čuveni engleski astronom Artur Edington (Arthur Stanley Eddington) bio je očaran Ajnštajnovom teorijom, pridavši joj revolucionaran značaj uspeo je da ubedi Kraljevsko astronomsko društvo da ipak finansira ekspediciju na južnu hemisferu. Posmatranja su vršena sa dva mesta, zapadne obale Afrike (ostrvo Prinsipe) i istočne strane Južne Amerike (Sobral, Brazil).


Slika 5. Korišćeni teleskopi za posmatranje pomračenja Sunca: dva heliostata sa pokretljivim ogledalima pomoću kojih se usmerava svetlosni snop u horizontalne teleskope. Izvor: Wikimedia.

Tokom totalnog pomračenja Sunca snimljene su zvezde bliske Sunčevom rubu (Slika 6).


Slika 6. Šematski prikaz savijanja svetlosnog snopa zvezda u gravitaciono polju Sunca. Preuzeto i modifikovano: NASA.

Upoređujući snimke položaja zvezda u prisustvu gravitacionog polja Sunca (posmatranja tokom totalnog pomračenja) sa snimcima tog dela neba bez prisustva Sunca (posmatranja noćnog neba) može se odrediti ugao skretanja (Slika 7, levo). Dobijene vrednosti su:

α1 = 1".98 ± 0".12

α2 = 1".61 ± 0".30,

što predstavlja odstupanje oko 20% od vrednosti koju je predvideo Ajnštajn, čime se posmatrački potvrdila Opšta teorija relativnosti, kao i primat te teorije nad Njutnovom.

Ova saznanja, nakon objavljivanja u naučnom svetu, su se našla na naslovnim stranama mnogih novina širom sveta. Slika 7, desno, je naslovna strana njujorkških dnevnih novina The New York Times, a obavezno potražite i sliku koja je pratila objavu rezultata u Ilustrovanim londonskim novostima (The Illustrated London News) od 7. novembra iste godine.


Slika 7: Negativ sa posmatranja tokom totalnog pomračenja Sunca, maj 1919, levo. Izvor: Wikimedia. Naslovna strana novina The New York Times za 10. novembar 1919, desno. Izvor:Wikimedia.

Kasnija posmatranja sa znatno preciznijim instrumentima, za ugao skretanja svetlosti u gravitacionom polju Sunca su dala vrednosti koje se razlikuju od Ajnštajnove za samo 1%.

Sledeći važan korak u izučavanju gravitacionih sočiva je izrodio brilijantan um Frica Cvikija (Fritz Zwicky), koji je tvdio da i galaksije mogu da savijaju svetlost udaljenih pozadinskih objekata (a ne samo zvezde) i da dalju potragu za efektom gravitacionih sočiva treba tražiti van naše galaksije. Takođe, uvideo je i mogućnost upotrebe gravitacionih sočiva kao prirodnih teleskopa koji nam omogućava da zavirimo u najdublja kosmička prostranstva. Na ovaj način su otkrivene neke od najudaljenijih galaksija koje u suprotnom ne bismo videli.

Slika 8: Kvazar Blizanac (Twin quasar, QSO 0957+561), prvo otkriveno gravitaciono sočivo. Preuzeto i modifikovano:Wikipedia

Prvi slučaj koji je potvrdio ova predviđanja je detekcija dvojnog kvazara od strane trojice astronoma: Volša (Dennis Walsh), Karsvela (Bob Carswell) i Vejmana (Ray Weymann), 1979. godine. Posmatran kvazar je nazvan Blizanac. U početku nije bilo jasno da li su to dva lika jednog kvazara nastala usled zakrivljenosti prostora pod dejstvom nekog gravitacionog sočiva ili se radi o fizički dvojnom kvazaru. Intenzivna istraživanja koja su usledila pokazala su da oba objekta imaju skoro identičan spektar pa da su stoga u pitanju dva lika jednog izvora, što je dodatno i potvrđeno iz sličnosti krivih sjaja ova dva lika. Kasnije je identifikovana i galaksija-sočivo, koja se nalazi između nas i tog kvazara, odgovorna za ovaj fenomen. Na Slici 8 se mogu videti dva plava lika kvazara , kao i galaksija (crveniji lik u neposrednoj blizini donje komponente). Ovo otkriće je silovito otvorilo vrata primeni gravitacionih sočiva u modernoj astronomiji.

Jedna animacija govori više od hiljadu reči, pa bih njome i završila ovaj tekst:

Ako imate bilo kakva pitanja slobodno pišite, komentarišite.
Hvala na čitanju!

Literatura

[1] Jovanović, P., Uticaj gravitacionih sočiva na spektre kvazara, 2006, Zadužbina Andrejević, Beograd
[2] Wembsganss, J., Gravitational Lensing in Astronomy, 1998, Living Reviews in Relativity 1, No.12
[3] Kundić, T., Turner, E.L., Colley, W.N., 1997, Astrophys. J. 482, 75
[4] Einstein, A., 1936, Science, 84, 506
[5] Zwicky, F., 1937, Phys. Rev. 51, 290 - 290
[6] Wikipedia
[7] JPL/NASA
[8] NASA

Sort:  

Tek početkom 19. veka... ....da je ugao skretanja svetlosti u gravitacionom polju Sunca, α = 0.83".

Meni je fantastično da su ovo znali u XIX-om veku!

Teorijska fizika, matematika(teorijska) i "čist račun" su uvek bili daleko ispred svog vremena. :)
Svakako genijalno da se iko lati takvog proračuna - i to sve bez bilo kakvog kalkulatora ili mašine.

Congratulations @tellurian! You have completed the following achievement on the Steem blockchain and have been rewarded with new badge(s) :

You received more than 1000 upvotes. Your next target is to reach 2000 upvotes.

Click here to view your Board of Honor
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word STOP

Do not miss the last post from @steemitboard:

Be ready for the next contest!
Trick or Treat - Publish your scariest halloween story and win a new badge

Support SteemitBoard's project! Vote for its witness and get one more award!

This is really amazing post on gravitational lensing. I have really enjoyed your post and looking forward for next works

Thanks! There will be more pretty soon. :)





This post has been voted on by the SteemSTEM curation team and voting trail in collaboration with @utopian-io and @curie.

If you appreciate the work we are doing then consider voting all three projects for witness by selecting stem.witness, utopian-io and curie!

For additional information please join us on the SteemSTEM discord and to get to know the rest of the community!

Thank you steemSTEM! <3

Hi @tellurian!

Your post was upvoted by Utopian.io in cooperation with @steemstem - supporting knowledge, innovation and technological advancement on the Steem Blockchain.

Contribute to Open Source with utopian.io

Learn how to contribute on our website and join the new open source economy.

Want to chat? Join the Utopian Community on Discord https://discord.gg/h52nFrV

Odličan ti je tekst Telurianče:)

Hvala @nikolanikola na komentaru. Rađaju se ideje za nove tekstove, trudiću se da budu još bolji.

Wow! Congrats on your achievement with this post my friend! 😮

Thank you dear @melinda010100 for stopping by. It is story about gravitational lens, a really nice and important space phenomena. Probably once I will translate it to English. Thank you again for supporting me.

My pleasure! I will look forward to your translation. It was difficult to read using Google translate. 🤔

My pleasure! I will look forward to your translation. It was difficult to read using Google translate. 🤔

Wow! I'm so honored! :)

Good quality pays! You are doing great here!

Coin Marketplace

STEEM 0.36
TRX 0.12
JST 0.039
BTC 69965.85
ETH 3540.49
USDT 1.00
SBD 4.71