Kütleçekimsel merceklenme

Kütleçekimsel merceklenme, uzaktaki bir kaynak ile gözlemci arasındaki madde (galaksi kümesi gibi) dağılımını ifade eder. Bu kaynaktan gelen ışığın, gözlemciye doğru yolculuk ederken, kütleçekimsel merceklenme olayı sayesinde bükülmesi yeteneğidir. Bu etki, Einstein’in genel görelilik teorisinin tahminlerinden biridir ve kütleçekimsel merceklenme olarak bilinir.

Orest Chwolson (1924) ve Frantisek Klin (1936) etkilerini ilk defa tartışanlardan biri olmuştur. Etkileri daha sıklıkla, 1936 yılında alanındaki en ünlü makaleyi yayınlayan, Einstein ile ilişkilendirilmiştir.

Fritz Zwicky 1937 yılında, bu etkinin galaksi kümelerinin kütleçekimsel mercek gibi davrandığına izin verdiğini belirlemiştir. 1979 yılına kadar bu etki gözlemlerle doğrulanamadı. İkiz kuasar keşfedilen ilk kütleçekimsel mercek sistemidir.

Tanım

Optik merceğin tersine, maksimum bükülme kütleçekimsel merceğin merkezine yakın,  minimum bükülme ise merkezden uzakta gerçekleşir. Sonuç olarak, kütleçekimsel mercek tek bir odak noktasına sahip değildir. Onun yerine odak çizgisi vardır. Eğer ışık kaynağı (mercek gibi davranan devasa gök cismi)  ile gözlemci düz bir doğrultu üzerinde bulunuyorlarsa, gerçek ışık kaynağı mercek gibi davranan devasa gök cisminin etrafında halka şeklinde görünür. Eğer bir hizalama varsa, gözlemci halka yerine parçalı yaylar görecektir. Bu olgu ilk defa 1924 yılında fizikçi Orest Chwolson tarafından bahsedilmiştir. ve 1936 yılında Albert Einstein tarafından hesaplanmıştır. Bu sıklıkla literatürde Einstein halkası olarak geçer. Chwolson akı veya halka fotoğrafının yarıçapı ile ingilenmemiştir. Daha çok, mercek gibi davranan kütlelerin karmaşık olduğu (galaksi grubu veya galaksi kümesi gibi) ve uzay-zamanın küresel çarpıtmasına neden olmayan yerlerde kaynağın mercek etrafında parçalı yaylara neden olduğu yerleri incelemiştir. Gözlemci aynı kaynağın çoklu bozulmuş resimlerini görebilir. Kaynağın, merceğin, gözlemcinin, göreli konumlarına bağlı olarak, sayıları ve biçimleri değişebilir.

Üç tip kütleçekimsel merceklenme sınıfı vardır:

1. Güçlü merceklenme: Einstein halkasının, yayların ve çoklu resimlerin oluşumu gibi kolaylıkla görünen çarpıtmaların olduğu yerler.

2. Zayıf merceklenme: arka plandaki kaynakların çarpıtmalarının çok daha küçük olduğu yerler. Bunların tespit edilebilmesi için çok sayıda kaynağa bakılarak sadece küçük bir yüzdedeki uyumlu çarpıtmaların bulunması gerekir. Merceklenme statik olarak gösteriyor ki arka plandaki objelerin öncelikli gerilmeleri merceğin merkezi boyunca olan yöne diktir. Biçimlerin ölçülmesi ile ve uzaktaki çok sayıda galaksinin uyum sağlaması, herhangi bir bölgedeki merceklenmiş alanın ortalama uyumu ölçülebilir. Bu o bölgedeki kütle dağılımının tekrar yapılması için kullanılabilir. Özel olarak, arka plandaki karanlık madde dağılımı tekrar yapılabilir. Galaksiler özünde eliptiklerdir ve zayıf kütleçekimsel merceklenme sinyali çok küçüktür. Galaksilerin çoğu bu araştırmalarda kullanılmalıdır. Bu zayıf mercek araştırmaları, sistematik hataya sebep olabilecek önemli kaynaklardan dikkatlice arındırılmalıdır. Galaksilerin gerçek yapılarının, kameranın tek bir noktaya odaklanma eğilimi galaksinin şeklini bozabilir ve  gökbilimsel görme nedeniyle bozulan resimler anlaşılmalıdır ve dikkatlice sayılmalıdır. Bu araştırmaların sonuçları kozmolojik değişken tahminleri için önemlidir. Lamda-CDM modelinin daha iyi anlaşılması ve geliştirilebilmesi için önemlidir ve diğer kozmolojik gözlemlerinin kontrolünde tutarlılık sağlıyor. Bu araştırmalar aynı zamanda karanlık enerji üzerine yapılacak ilerideki kısıtlamaları sağlayabilir.

3. Mikro merceklenme: Şekilde hiç bozulmanın olmadığı yerler görülebilir. Arka plandaki objeden alınan ışığın miktarı zamanla değişiyor. Tipik bir durumda mercek etkisi gösteren obje samanyolundaki yıldızlar olabilir, arka plandaki kaynak uzak galaksideki bir yıldız olabilir. Diğer bir durumda ise çok uzaktaki kuasar bile olabilir. Etki çok küçüktür, güçlü merceklenme durumundaki gibi güneş kütlesinin 100 milyar katı bir kütleye sahip bir galaksi bile sadece birkaç açı saniyesi ile ayrılan çoklu resimler üretebilir. Galaksi kümeleri birkaç açı dakikası aralıklar üretebilir. Her iki durumda da galaksiler ve kaynaklar uzaktadırlar, galaksimizden yüzlerce megaparsek uzaklığında.

Kütleçekimsel merceklenme bütün elektromanyetik radyasyon çeşitlerinde eşit derecede davranır, sadece  görünür ışıkta değil. Zayıf merceklenme etkisi, kozmik mikrodalga arka plan ışıması için çalışılmıştır ve aynı zamanda galaksi araştırmaları için. Güçlü merceklenme radyo ve X-ray bölgelerinde gözlenmiştir. Eğer güçlü mercekler çoklu resimler üretiyorsa iki yol arasında göreli bir zaman gecikmesi olacaktır. Bir resimdeki merceklenmiş obje diğer resimden daha önce gözlenecektir.

Tarihçe

Galaksi kümeleri ve kara delik gibi çok büyük kütleli cisimlerin etrafındaki uzayzaman bükülür ve galaksi gibi arka plandaki bir kaynaktan gelen ışınların bükülmüş uzay zaman boyunca yolunun değiştirilmesi ile sonuçlanır. Bu mercek etkisi arka plandaki kaynağın resmini büyütür veya yolunu saptırır.

Genel görelilik teorisine göre, kütle uzay-zamanı yerçekim alanı oluşturmak için büker ve ışığın bükülmesine neden olur. Bu teori 1919’daki güneş tutulması sırasında kanıtlanmıştır. Arthur Eddington ve Frank Watson Dyson Güneş’in çok yakınından geçen yıldızlardan gelen ışığın biraz büküldüğünü gözlediler bu yüzden yıldızlar gerçek konumlarının biraz dışında kalıyormuş gibi görünüyor.

Einstein, aynı zamanda  astronomik cisimlerin de ışığı bükebileceğinin mümkün olduğunu fark etti. Uygun koşullar altında, bir gözlemci tek bir kaynağın çoklu resimlerini gözleyebilir. Bu olay kütleçekimsel mercek veya bazen kütleçekimsel serap olarak adlandırılır.

Bununla birlikte, onun düşüncesine göre sadece tek yıldızın sebep olduğu yerçekimsel merceğin büyük olasılıkla yakın gelecekte gözlenmeyeceği sonucuna varmıştır. 1937 yılında, Fritz Zwicky galaksinin bir kaynak gibi davranabildiği durumları ilk defa düşünmüştür. Yaptığı hesaplamalara göre, gözlemlerin ulaşabileceği aralıkta iyi olması gerektiği sonucuna vardı.

İlk kütleçekimsel merceğin keşfedildiği 1979 yılına kadar değildi. İlk keşfedilen kozmik mercek "İkiz QSO'da" olarak adlandırılmıştır ve en başta iki özdeş gökyüzü cismi gibi görünüyordu. resmî adı 0957 + 561 SBS olarak belirlenmiştir. Bu yerçekimsel mercek Dennis Walsh, Bob Carswell ve Ray Weymann tarafından Kitt Peak Ulusal Gözlemevi’ndeki 2.1 metre çapındaki teleskop kullanılarak tespit edilmiştir.

1980'lerde, astronomlar CCD kameralar ve bilgisayarın birlikte kullanılmasıyla, her gece  milyonlarca yıldızın parlaklığının ölçülebileceğini fark etti. Galaksi merkezi veya Macellan bulutları gibi yoğun alanlarda, her yıl birçok mikro merceğin keşfedilme potansiyeli var. Bu Optik Yerçekimsel Merceklenme Deneyleri’ne veya bununla bağlantılı yüzlerce alana efor harcanmasına izin verdi.

Uzay-zaman eğriliğinin açısından açıklanması

Genel görelilik teorisine göre, ışık uzay-zamanın eğriliğini izler. Bunun sonucu olarak, ışık büyük bir nesnenin etrafında geçerken bükülür. Bu, cisimden gelen ışığın gözlemcinin gözüne doğru büküleceği anlamına geliyor. Sıradan bir merceğin yaptığı gibi. Işık her zaman sabit bir hızda hareket eder. Mercek etkisi ışığın hızının yönünü değiştirir ancak büyüklüğünde bir değişiklik yaratmaz.

Işık ışınları gelecek ve geçmiş bölgeler arasında bir sınırdır. Kütleçekimsel etki, arka plandaki bükülmüş geometride bozulmamış objelerin hareketi veya alternatif olarak düz geometrideki kuvvetin karşılığı olarak görülebilir.

G kütleçekim sabiti, c boşluktaki ışık hızı olmak üzere M kütlesine r mesafesindeki etkilenmiş ışığın sapma açısı aşağıdaki formülle gösterilir.

Schwarzschild yarıçapı  böyle de gösterilir  . Daha basitçe

 şelinde ifade edilebilir.

Kütleçekimsel merceklenme araştırmaları

Kütleçekimsel merceklerin çoğu geçmişte yanlışlıkla keşfedilmiştir. Kuzey yarımküredeki kütleçekimsel mercek araştırmaları (Kozmik Mercek Tüm Gökyüzü Araştırması) New Mexico’daki Very Large Array (VLA) kullanılarak radyo frekanslarında yapılmıştır. Bu araştırmalar 22 yeni mercek sistemi keşfedilmesine izin vermiştir ve önemli bir kilometre taşı olmuştur. Çok uzaktaki nesnelerin bulunması için yapılan araştırmalara yepyeni bir pencere açtı böylece kozmolojik parametreler için değerler bulunabilir.  Böylece evreni daha iyi anlayabileceğiz.

Güney yarımkürede yapılan benzer bir araştırma, kuzey yarımküredeki araştırmaları tamamlayıcı olması açısından ve diğer hedefleri elde etmek yolunda çok iyi bir adım olacaktır. Bu gibi bir araştırma, iyi kalibre edilmiş ve iyi parametreli alet ve verilerle yapılırsa, sonuç  kuzey araştırmalarına benzer olması beklenebilir.

2009’da Science Daily’de yayınlanan makalede ABD’deki Lawrence Berkeley Ulusal Enerji Laboratuvarı Bölümünden bir kozmolog liderliğindeki bilim adamlarından oluşan bir ekip tarafından daha önce mümkün olduğundan çok daha eski ve küçük yapıların kütleçekimsel merceklenmenin kullanımında büyük ilerleme kaydetmişlerdir. Bu çalışmalar uzaktaki galaksilerdeki zayıf kütleçekimsel merceklenme üzerine yapılan ölçümlerin iyileştirilmesi sayesindedir.

Almanya Heidelberg’deki Max Planck Enstitüsü’nden astronomlar uzaktaki birçok kütleçekimsel mercek özelliği  gösteren galaksinin NASA'nın Hubble Uzay Teleskobu kullanılarak J1000+0221 isimlendirildiğini keşfetti. En uzak dörtlü görüntü merceksi galaksi biliniyor ve daha sonra Hubble Uzay Teleskobu ve Keck teleskobu ile görüntülenen, spektroskopi kullanılarak gök bilimcilerden oluşan  uluslararası bir ekip tarafından daha da uzaktaki iki görüntülü merceksi galaksi keşfedilmiştir. IRC 0218 merceğinin keşfi ve analizi 23 Haziran 2014 tarihinde Astrophysical Journal Letters dergisinde yayınlandı.

30 Eylül 2013 tarihinde Physical Review Dergisi’nin çevrimiçi versiyonunda yayınlanan Montreal, Kanada’daki McGill Üniversitesi'nin yönettiği bir araştırma ile B - modları keşfedildi. Bunlar kütleçekimsel merceklenme etkisi nedeniyle oluşuyor. Bu keşif Ulusal Bilim Vakfı’nın Güney Kutbu Teleskobu kullanılarak ve Herschel Uzay Gözlemevi’nin yardımıyla yapılmıştır. Bu keşif, evrenimizin kökeni hakkındaki teorileri test etmeye olanak sunacak

Güneş’in kütleçekimsel merceklenmesi

Albert Einstein 1936 yılında, aynı yönde giden ışık ışınlarının Güneş’in kenarından geçtiğini tahmin etti. Bu ışın demetleri yaklaşık olarak Güneş’ten 542 Astronomi Birimi uzaklıktaki bir odak noktasında birleşiyor. Böylece, Güneş kütleçekimsel bir mercek gibi davranıyor ve  uzaktaki nesneleri büyütüyor. Uzay aracının konumu gerekli görüldüğü zaman Güneş’e göre farklı hedefleri seçerek değiştirilebilir. Bu mesafe, Voyager 1 gibi uzay sondalarındaki ekipmanların kapasitesi ve işleyişinin çok ötesinde. Bilinen gezegenler ve cüce gezegenlerin de ötesinde, binlerce yıl uzaktaki 90377 Sedna son derece eliptik yörüngesinde daha da uzağa hareket edecek . 21-cm hidrojen çizgisindeki mikrodalgalar gibi, bu lens aracılığıyla potansiyel olarak yüksek yerlerdeki sinyallerin tespiti için bir uzay aracı bu mesafeye gönderilebilir. Bu, SETI araştırmalarının ilk günlerinde Frank Drake tarafından önerildi.Çok amaçlı uzay aracı SETISAIL ve sonraki FOCAL 1993 yılında ESA tarafından önerilmiştir. Ancak, zor bir görev olması bekleniyor. Eğer bir uzay aracı 542 Astronomik Birim’i geçerse, merceğin başarısı ve görüntü oluşturma yeteneği daha ilerilere gittikçe gelişerek devam edecek. Çünkü bu mesafelerde odağa gelen ışınlar Güneş’in taç küresinin sebep olduğu bozulmadan daha uzaktan geçecek.

Zayıf merceklenmeyi ölçmek

Kaiser (1995), Luppino ve Kaiser (1997) ve Hoekstra (1998) etkileri Point Yayılma Fonksiyonu’na  dönüştüren (PSF) bir metot öne sürdüler. Bu yöntem (KSB +) mevcut zayıf merceklenme ölçümlerinde en yaygın  kullanılan yöntemdir. Galaksiler rastgele rotasyonlara ve eğilimlere sahiptir. Bunun bir  sonucu olarak, zayıf merceklerdeki kesme etkisi istatistiksel olarak belirleyici ile tespit edilmesi gerekir. Merceklenme ölçümlerindeki hatanın birincil kaynağı ile PSF ile merceklenmiş görüntünün kıvrılmasına bağlıdır. KSB yöntemi galaksi görüntüsünün eliptikliğini ölçer. Kesme eliptiklik ile doğru orantılıdır. Merceklenmiş görüntülerdeki nesneler, kütle kuadropol momentlerine göre parametrize edilmiştir. Mükemmel bir elips için, kütle kuadrupol momentleri kütle elliptiklik ile bağlantılıdır. KSB birincil avantajı matematiksel kolaylığı ve nispeten basit uygulamalarının olmasıdır. Bu, mevcut kozmik kesme araştırmaları için iyidir ancak araştırmaların bir sonraki aşaması (örn. LSST) KSB’nin sağlayabileceğinden çok daha iyi doğruluk gerektirebilir. Bu süre içinde, verilerin istatistiksel hataları ihmal edilebilir çünkü sistematik hatalar hakim olacaktır.

Galeri

Ayrıca bakınız

 Einstein halkası

Tarihsel tezler ve kaynakçalar

Kaynakça
Notlar

Bibliyografya
 "Accidental Astrophysicists ". Science News, June 13, 2008.
 "XFGLenses". A Computer Program to visualize Gravitational Lenses, Francisco Frutos-Alfaro
 "G-LenS". A Point Mass Gravitational Lens Simulation, Mark Boughen.
 Newbury, Pete, "Gravitational Lensing". Institute of Applied Mathematics, The University of British Columbia.
 Cohen, N., "Gravity's Lens: Views of the New Cosmology", Wiley and Sons, 1988.
 "Q0957+561 Gravitational Lens ". Harvard.edu.
 "Gravitational lensing". Gsfc.nasa.gov.
 Bridges, Andrew, "Most distant known object in universe discovered ". Associated Press. February 15, 2004. (Farthest galaxy found by gravitational lensing, using Abell 2218 and Hubble Space Telescope.)
 Analyzing Corporations ... and the Cosmos An unusual career path in gravitational lensing.
 "HST images of strong gravitational lenses ". Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
 "A planetary microlensing event " and "A Jovian-mass Planet in Microlensing Event OGLE-2005-BLG-071 ", the first extra-solar planet detections using microlensing.
 Gravitational lensing on arxiv.org 
 NRAO CLASS home page 
 AT20G survey 
 A diffraction limit on the gravitational lens effect (Bontz, R. J. and Haugan, M. P. "Astrophysics and Space Science" vol. 78, no. 1, p. 199-210. August 1981) 

Konuyla ilgili yayınlar
 
 
 .
 
 Tools for the evaluation of the possibilities of using parallax measurements of gravitationally lensed sources (Stein Vidar Hagfors Haugan. June 2008)

Dış bağlantılar

 Video: Evalyn Gates – Einstein's Telescope: The Search for Dark Matter and Dark Energy in the Universe , presentation in Portland, Oregon, on April 19, 2009, from the author's recent book tour.
 Audio: Fraser Cain and Dr. Pamela Gay – Astronomy Cast: Gravitational Lensing, May 2007

Bilimkurgu çalışmalarında ön plana çıkanlar
 Existence, by David Brin, 2012 

 
Astrofizik
Merceklenme