עידוש כבידתי

עידוש כבידתי (באנגלית: Gravitational Lensing) הוא תופעה בה קרני אור מתעקמות סביב גוף בעל מסה ועקב כך יוצרות תופעות אופטיות של הסחה, הגברה ועיוות בדמות של העצם. התופעה של עידוש כבידתי היא חיזוי של תורת היחסות הכללית שפיתח אלברט איינשטיין והייתה אחד המבחנים הראשונים לאישושה. כיום, תופעה זו מוצאת שימוש רב באסטרונומיה ככלי לבצע תצפיות ולחקור את היקום.

מבוא

עידוש כבידתי היא תופעה בה גרביטציה מעצם מאסיבי (עצם עם הרבה מסה) מעקמת את קרני האור, בצורה דומה לעדשה. כתוצאה מכך, המסלול של האור מהמקור מתעקם, ומתקבלת דמות מעוותת. יתרה מכך, מיקומה של הדמות בשמים שונה ממיקומו של המקור ולעיתים קרובות רואים מספר דמויות של אותו האובייקט ולא דמות אחת. כאשר המקור, העדשה והצופה נמצאים על ציר אחד, הדמות של המקור מתעוותת לטבעת המקיפה את העדשה (הנקראת טבעת איינשטיין, Einstein ring). תופעה זו הוזכרה לראשונה על ידי אורסט חבולסון (Orest Khvolson) ב-1924 ונוסחה באופן מתמטי על ידי אלברט איינשטיין ב-1936. בדרך כלל, המקרים בהם העצם נמצא בדיוק על ציר העדשה הם נדירים, ולכן ניתן לראות מספר דמויות מעוותות לצורת קשת. באמצעות ניתוח הדמויות בשמים ניתן ללמוד על התפלגות המסה בעדשה (למשל: מהי מסת העדשה) ולהפך: כאשר ידועה מהי התפלגות המסה באזור העדשה, ניתן לחשב מהן הדמויות שיראו בשמים.

הסבר לתופעה

לפי תורת היחסות הכללית, נוכחות של מסה-אנרגיה-לחץ במרחב-זמן מעקמת את המרחב-זמן ואת ההתעקמות של המרחב-זמן אנו מזהים כשדה גרביטציה. מאחר שגוף מסיבי (בעל מסה רבה) מעקם את המרחב שסביבו, כל העצמים שנעים בסביבתו נעים במסלולים עקומים, שהם גיאודזות במרחב עקום. לפי תורת היחסות הכללית, גם האור לא יכול להתעלם מהעקמומיות של המרחב (וזאת בניגוד לכבידה הניוטונית), ולכן גם קרני אור ופוטונים ("חלקיקי" אור) ינועו בקווים עקומים. כתוצאה מכך, קרני האור – הנעים בקו ישר – יתעקמו ליד גוף מסיבי, במידה התלויה במסת הגוף ובמרחקם ממנו.
בפיזיקה, ובייחוד באופטיקה, קוראים לכל תופעה בה קרני האור משנות את מסלולן (למשל, כגון בשבירה) בשם "עידוש". לכן, לתופעה שבה קרני האור משנות את מסלולן בגלל השפעות כבידה קוראים "עידוש כבידתי". שימוש מצומצם יותר במונח מתייחס לתופעה הפרטית שבה גוף מסיבי בעל סימטריה כדורית (להבא גוף כזה יקרא "ספרי" מהמילה sphere) מקורבת פועל באופן אנלוגי לעדשה אופטית רגילה המוכרת לנו מחיי היום יום.
גוף מסיבי ספרי פועל כמו עדשה קמורה וממקד את קרני האור העוברים לידו בנקודה מסוימת, בה הוא יוצר דמות. כאשר העצם, העדשה והדמות (או ליתר דיוק: הצופה הרואה את הדמות) נמצאים על ציר אחד, בגלל הסימטריה הגלילית של הבעיה הדמות שמתקבלת מתעוותת לצורה טבעת המקיפה את העדשה (הגוף המסיבי ספרי שמבצע את העידוש הכבידתי). טבעות אלה נקראות "טבעות איינשטיין" ואפשר לחשב את הזווית שהן יוצרת בשמים. כאשר העצם לא נמצא בדיוק מאחורי העדשה (כלומר: בדיוק על ציר העדשה) הסימטריה הגלילית נשברת ומתקבלות רק שתי דמויות (דמות אחת מקרן שמתעקמת מ"למעלה" ודמות שנייה מקרן שמתעקמת מ"למטה"), שכל אחת מתעוות למעין קשת (על טבעת איינשטיין) בהתאם למידה של כמה העצם סוטה מלהיות ממש מאחורי העדשה (ככל שהעצם נמצא בדיוק מאחורי העדשה, כך הקשת שאליה הדמות נמרחת היא גדולה יותר וקרובה להשלים את כל הטבעת).

הגברת בהירות כבידתית

כאשר דמות של עצם מתעוותת לצורה של קשת (שהיא חלק מטבעת איינשטיין) הגודל שלה על השמיים גדל, וכתוצאה מכך גם הבהירות (Luminosity) שלו גדלה (בהירות היא עוצמת ההארה של הגוף, כלומר: שטף הקרינה שלו ליח' זמן או הספק הקרינה הנצפה). כאשר הבהירות של עצם גדלה, קל יותר לראות אותו באמצעות מכשור אופטי (כגון טלסקופ). מאחר שהבהירות הנצפית של עצם יורדת ככל שהוא נמצא יותר רחוק מאיתנו, השימוש בהגברה כבידתית מאפשר לראות עצמים שבאופן רגיל לא היינו רואים כי הם חיוורים מידי עבור ציוד התצפית שברשותינו.