Czym stała się soczewka grawitacyjna?

W Drodze Mlecznej.

Wprowadzenie

Soczewki grawitacyjne są wywoływane przez masywne obiekty. Mogą one występować pod różnymi postaciami, zwłaszcza w formie „kaustycznej”.

W niektórych swoich efektach optyka grawitacyjna jest bardzo zbliżona do optyki konwencjonalnej. To właśnie dzięki temu zjawisku można wykrywać egzoplanety.

Wykrywanie egzoplanet

Podczas tranzytu planety przez żar generowany przez masę jej gwiazdy, jej światło jest wzmacniane, a ta zmiana jasności, choć słaba, jest mierzalna.

Tak więc, 25 stycznia 2006 roku, ESO ogłosiło odkrycie egzoplanety OGLE-2005-BLG-390 poprzez obserwację zmiany jasności spowodowanej przejściem tej planety w kaustyce z powodu mikrosoczewkowania związanego z jej gwiazdą.

Pytania

• Czy możemy zaobserwować to samo zjawisko między super masywną czarną dziurą a gwiazdami, które krążą wokół niej?
• Czy w takim razie zaobserwowalibyśmy również widoczne deformacje eliptycznych trajektorii gwiazd spowodowane efektami soczewkowania?
• Czy te zjawiska były już obserwowane?

W centrum Drogi Mlecznej Saggitarius A znajduje się czarna dziura o masie 4 milionów mas Słońca.
Czarna dziura została „potwierdzona” przez

• Wahania jasności rentgenowskiej Saggitariusa A, które można wyjaśnić akrecją materii (dysk akrecyjny) do czarnej dziury.
• Niektóre emisje 511 kev, ewidentne ślady obecności antymaterii.

Wokół tej czarnej dziury krążą liczne gwiazdy, których ruch można było zaobserwować (światło podczerwone). Animacja mpeg jest dostępna po kliknięciu na obrazek obok. Oto eliptyczne trajektorie i prędkości tych gwiazd, które umożliwiły pomiar masy Saggitarius A.

Stwierdzono, że:

1. Trajektorie gwiazd są idealnie eliptyczne.
2. Żadna z tych gwiazd nie wydaje się manifestować w swoich trajektoriach znaczących wahań jasności, mogących ujawnić przejście w kaustyce, a tym samym obecność soczewki grawitacyjnej.

Co stało się z kaustyką?

Trójwymiarowa rekonstrukcja trajektorii tych gwiazd, wykonana w formacie mpeg przez UCLA Division of Astronomy and Astrophysics, jest dostępna po kliknięciu na obrazek powyżej.

Rekonstrukcja ta również pokazuje idealne orbity eliptyczne.

Należy zauważyć, że ze względu na prawa względności, dodatkowe obserwacje powinny ujawnić istotne zmiany peryhelium tych gwiazd. Zmiany te powinny potwierdzić masę czarnej dziury.

1-wsze prawo Keplera i jego uogólnienie

W heliocentrycznym układzie odniesienia orbita każdej planety jest elipsą, której jedno ognisko zajmuje Słońce.
Możemy to wyrazić, mówiąc, że Słońce i planety obracają się wokół wspólnego środka ciężkości, który znajduje się w pobliżu środka Słońca, a więc wewnątrz niego.
To samo dotyczy gwiazd obracających się w centrum galaktyki.

Jednak w przypadku dwóch obiektów o masach tego samego rzędu środek ciężkości znajduje się poza nimi.
Oba ogniska mogą znajdować się bardzo blisko siebie, a nawet mogą się łączyć. (orbity kołowe).
Wszystko odbywa się tak, jakby te dwa obiekty obracały się wokół wirtualnego obiektu znajdującego się w ich środku ciężkości.
Jeśli dodamy gwiazdę, zawsze będą się obracać wokół wspólnego środka ciężkości. Następnie dodając N gwiazd, mamy zestaw gwiazd, które zawsze obracają się wokół ich wspólnego środka ciężkości, czyli wokół wirtualnego obiektu!

Mamy wtedy złudzenie obecności super masywnego obiektu w centrum gromady gwiazd (otwartej lub kulistej).

W ten sposób w centrum Drogi Mlecznej zamanifestowałby się Wirtualny Masywny Obiekt.

Czy wirtualny obiekt o masie 4 milionów mas Słońca może wywołać soczewkę grawitacyjną?

Tak, ponieważ pozorne pole grawitacyjne jest takie samo, jak gdyby ta masa była fizycznie obecna w centrum gromady gwiazd. Świadczą o tym trajektorie i prędkości gwiazd.

Zauważmy, że relacja masy do jasności tego wirtualnego obiektu byłaby niekonwencjonalna!

Nie przypomina ci to historii o ciemnej materii?

Pytanie:

Czy w centrum gromad kulistych znajduje się czarna dziura?

Biorąc pod uwagę wiek znanych gromad kulistych (10 miliardów lat), gęstość gwiazd i prawdopodobieństwo kolizji gwiazd, czarna dziura powinna być obecna w większości z nich. Wydaje się jednak, że tak nie jest.

Czy w gromadach kulistych manifestuje się Wirtualny Masywny Obiekt?

Uwagi i wnioski:

• Wykrycie promieniowania rentgenowskiego nie jest dowodem na istnienie czarnej dziury. Istnieją inne możliwości.
• Promieniowanie 511 kev nie jest również dowodem na obecność czarnej dziury. Możliwe są inne przyczyny.
• Ponieważ pole grawitacyjne jest równoważne w obu przypadkach, zmiana peryhelium orbit również nie byłaby dowodem na korzyść czarnej dziury.
• Z tego samego powodu efekty soczewki grawitacyjnej również nie byłyby dowodem.

Ale rzeczywiście jesteśmy w obliczu problemu.

Nie oznacza to jednak, że czarne dziury nie istnieją:

§ W przypadku Sgr A* niejednoznaczność została już zniesiona 16 października 2002 r. w publikacji ESO:
„Ruch gwiazdy wokół centralnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej. Gwiazda „S2”, którą można zobaczyć na poniższej ścieżce, przeszła w 2002 roku z prędkością 5000 km/s w odległości 17 godzin świetlnych od Sgr A* (mniej niż trzykrotność odległości Słońce-Pluton). Pomiar ten wyraźnie pokazuje, że jest to rzeczywiście czarna dziura, a nie gromada kulista.” (Źródło: Dr Suzy Collin Zahn w artykule opublikowanym w Astronomy N° 70 / Marzec 2014 – strony 20-29 (SAF).

A w innych galaktykach?

Dokumentacja

1. Centralna czarna dziura w naszej galaktyce.
2. Detekcja twardego promieniowania rentgenowskiego z galaktycznego obszaru jądrowego za pomocą INTEGRAL.
3. Źródło antymaterii z centrum galaktyki.
4. Wczesne pomiary SPI/INTEGRAL galaktycznej linii 511 keV emisji z anihilacji pozytonów.
5. Wczesne ograniczenia SPI/INTEGRAL dotyczące morfologii emisji linii 511 keV w czwartym kwadrancie galaktycznym.
6. Hypernovae/GRB w Centrum Galaktyki jako możliwe źródła galaktycznych pozytonów.

---

Data utworzenia: 14.06.2007
Ostatnie wydanie: 10.04.2016 (P. Schuler)

---

Autor: Bernard Lempel ()

Przetłumaczono z: Saggitarius A.

Przetłumaczył (z pomocą deepl.com): Łukasz Buczyński