Gravitationslinsen Sonja Boyer

Transkript

1 Gravitationslinsen Sonja Boyer

2 Inhalt 1. Geschichte 2. Was sind Gravitationslinsen? 3. Starker Linseneffekt 4. Schwacher Linseneffekt 5. Mikro-Linsen 6. Ausblick Gravitationslinsen 2

3 Geschichte 1801 Prof. Soldner vermutet Ablenkung (0,8 Bs) der Lichtteilchen im Schwerefeld 1912 Einstein: Idee der geometrischen Gravitationslinse, durch ART erklärbar, Ablenkung 1,7 Bs 1919 A.S. Eddington bestätigt bei Sonnenfinsternis Einstein Eddington Gravitationslinsen 3

4 Geschichte 1979 Quasar QSO wird von D. Walsh, R.F. Carswell &R.J. Weymann entdeckt 1986 Entdeckung der Einsteinringe 2004: - 64 unzweifelhaft identifizierte Linsensysteme mit Mehrfachabbildung - 18 mögliche Kandidaten Gravitationslinsen 4

5 Gravitationslinsen Gravitationslinsen 5

6 Gravitationslinsen vs. dünne Linsen Gravitationslinsen lenken zentrumsnahe Strahlen stärker ab, normale Linsen dagegen lenken zentrumsferne Strahlen stärker ab. Gravitationslinsen 6

7 Die Linsengleichung Linsengleichung: für punktförmige Linsen gilt: mit Gravitationslinsen 7

8 Die Linsengleichung Nach Einsetzen: Linsengleichung für punktförmige Linsen: Gravitationslinsen 8

9 Einsteinradius Einstein-Radius als Winkel: Einstein-Radius: Gravitationslinsen 9

10 Wie wirken Gravitationslinsen? verändern scheinbare Position des Objekts verstärken seine Helligkeit verzerren seine Form erzeugen Doppel-/ Mehrfachbilder erzeugen zeitversetzte Helligkeitsschwankungen in den unterschiedlichen Bildern Gravitationslinsen 10

11 Verstärkung Eine Gravitationslinse lenkt das Licht eines Hintergrundobjektes nicht nur ab, sondern sie verstärkt es auch. Gravitationslinsen 11

12 Verstärkung Lösungen der punktförmigen Linsengleichung geben Positionen der Abbilder an das schwächere Abbild liegt innerhalb des Einsteinrings, das andere außerhalb Verstärkung durch Verhältnis zwischen Bild und Quelle gegeben: Gravitationslinsen 12

13 Bildposition einsetzen Verstärkung u = Winkelabstand Linse- Quelle Gesamtverstärkung: Gravitationslinsen 13

14 Einsteinringe entstehen, wenn eine Galaxie genau hinter der Linse steht B Gravitationslinsen 14

15 Starker Linseneffekt es erscheinen mehrfache Abbildungen meist durch große Galaxien abgelenktes Licht erste Mehrfachabbildung: Quasar QSO Gravitationslinsen 15

16 Einsteinkreuz 4-fach Abbildungen Quasar QSO Einsteinkreuz Gravitationslinsen 16

17 Mehrfache Abbildung größte bisher gefundene Gravitationslinse: SDSS 1004 Linse muss Masse von etwa 200 Billionen Sonnenmassen haben Gravitationslinsen 17

18 Identifizierung Rotverschiebung/ Entfernung identisch Spektralverläufe identisch oder ähnlich bei nahen Linsen muss diese zwischen Abbildern zu sehen sein dieselben Intensitätsvariationen, wobei zeitliche Verschiebung möglich Gravitationslinsen 18

19 Mehrfache Abbildungen Eine Anwendung: - aus Laufzeitunterschied kann man die Hubble-Konstante bestimmen - QSO hat Unterschied von 417 Tagen H=(67 ± 13) km/(sec*mpc) Gravitationslinsen 19

20 Große Lichtbögen (Giant Luminous Arcs) Gravitationslinsen 20

21 Große Lichtbögen zuerst gefunden bei sehr großen, fernen Galaxien werden durch Galaxienhaufen erzeugt sehr weit entfernte Objekte beobachtbar Massenverteilung der Galaxienhaufen bestimmbar: Dunkle Materie überwiegt Gravitationslinsen 21

22 Nutzen von Gravitationslinsen messen kosmischer Entfernungen Bestimmung der Expansion des Alls wiegen von Galaxienhaufen aufspüren extrasolarer Planeten Verteilung der Dunklen Materie Gravitationslinsen 22

23 Literatur avitationslinse.html Gravitationslinsen 23

24 Danke für die Aufmerksamkeit! Gravitationslinsen 24

25 Gravitationslinsen Alexander Summa 25

26 4. Weak Lensing Gravitationslinsen 26

27 Sehr häufig vorkommender Linseneffekt Ablenkung der Photonen in jeder Blickrichtung Schwierig nachzuweisen Gravitationslinsen - Weak Lensing 27

28 Der schwache Gravitationslinseneffekt wird durch weniger effiziente Konfigurationen verursacht. Realistisch: Kennzeichen: schwache elliptische Deformation Überlagert von intrinsischer Morphologie nicht nachweisbar anhand einzelner Objekte Falls messbar, gewährt die Deformation die Bestimmung der Stärke der Linse am Ort des Galaxiebildes. Gravitationslinsen - Weak Lensing 28

29 Galaxien haben sehr willkürliche Formen, speziell weit entfernte Galaxien aus einer früheren Phase des Universums. Kleine Deformationen durch den Gravitationslinseneffekt sind daher schwer nachzuweisen. Gravitationslinsen - Weak Lensing 29

30 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Einzelne Galaxie Einzelne Galaxie Gravitationslinsen - Weak Lensing 30

31 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 3 Galaxien Mittelwert über 3 Galaxien Gravitationslinsen - Weak Lensing 31

32 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 10 Galaxien Mittelwert über 10 Galaxien Gravitationslinsen - Weak Lensing 32

33 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 100 Galaxien Mittelwert über 100 Galaxien Gravitationslinsen - Weak Lensing 33

34 Falls Dichte der Hintergrund-Galaxien hoch genug: Schwacher Linseneffekt erlaubt die Erstellung von Karten der Verteilung der Dunklen Materie. ca Galaxien/Mondfläche Prinzipiell lässt sich also die Verteilung der Dunklen Materie über den gesamten Himmel kartieren. Gravitationslinsen - Weak Lensing 34

35 Karte der Dunklen Materie: Gravitationslinsen - Weak Lensing 35

36 5. Microlensing Gravitationslinsen 36

37 Mikrolinsenereignis Gravitationslinsen - Microlensing 37

38 Das Prinzip des Microlensings : Gravitationslinsen - Microlensing 38

39 Bildaufspaltung und Verstärkung Typische Winkelabstände für Linsensysteme mit Galaktischen Sternen: ~ 1 Millibogensekunde Mehrfachbilder können nicht aufgelöst werden. Aber: Registrierung des Verstärkungseffekts und Messung von Lichtkurven Theoretische Zeitskala (ergibt sich aus Relativbewegung von Quelle, Linse und Beobachter): t E M = 0.214y( M Θ ) 1/ 2 Dd ( ) 10 kpc 1/ 2 (1 D D d s ) 1/ 2 ( v ) 200 km/s 1 Gravitationslinsen - Microlensing 39

40 Eigenschaften der Lichtkurven: nicht wiederkehrend symmetrisch achromatisch Observablen: S 0 (Fluss der ungelinsten Quelle) t max (Zeitpunkt maximaler Verstärkung) p (kleinster Abstand Quelle optische Achse) t E (charakteristische Zeitskala) Gravitationslinsen - Microlensing 40

41 Nur t E enthält astrophysikalisch relevante Informationen. te M D / Aber: Nur Kombination d ist aus den Lichtkurven messbar Nur Vergleich mit Modellen/Simulationen möglich Problem: Wahrscheinlichkeit eines Linsenereignisses ~ 10-7 Lichtkurven von Millionen von Quellen müssen beobachtet werden Ab Anfang der 90er Jahre beginnen verschiedene Gruppen mit der Suche nach Microlensing- Ereignissen: MACHO, EROS, OGLE v Gravitationslinsen - Microlensing 41

42 Messergebnisse Gravitationslinsen - Microlensing 42

43 Messergebnisse: Doppelstern Gravitationslinsen - Microlensing 43

44 Zwei Anwendungsbeispiele: Erforschung der Dunklen Materie Suche nach Exoplaneten Gravitationslinsen - Microlensing 44

45 Erforschung der Dunklen Materie Natur der Dunklen Materie bisher unbekannt, zwei Kandidaten: Astrophysikalische Dunkle Materie, z.b. Massearme und leuchtschwache Sterne Weiße und braune Zwerge MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) Teilchenphysikalische Dunkle Materie, bestehend aus bislang unbekannten Elementarteilchen Gravitationslinsen - Microlensing 45

46 Erforschung der Dunklen Materie Bisherige Messergebnisse: Eingrenzung des Anteils von MACHOs an der Halomasse auf ca. 20% Größtenteils Objekte im Bereich 0,1 1 M Normale Sterne, Neutronensterne (zu hohe Masse) ausgeschlossen Primordiale schwarze Löcher theoretisch möglich, Weiße Zwerge am wahrscheinlichsten Unsicherheiten: wenig Werte, Self-Lensing, Annahmen bzgl. Halomodell (radiale Dichteverteilung) Gravitationslinsen - Microlensing 46

47 Suche nach Exoplaneten System Linsenstern Planet erzeugt kleine Abweichungen in den Lichtkurven Änderungen finden in sehr kurzen Zeitskalen statt häufige Messungen Einzige erdgebundene Methode, die das Finden erdähnlicher Planeten erlaubt Gravitationslinsen - Microlensing 47

48 Suche nach Exoplaneten Gravitationslinsen - Microlensing 48

49 Suche nach Exoplaneten Gravitationslinsen - Microlensing 49

50 Ausblick Exaktere Messung von Time-Delays und der Hubble-Konstante Viele Ergebnisse sind wichtiges Werkzeug bei der Überprüfung von bestehenden Modellen Neue Kenntnisse über Galaxienaufbau, speziell der Milchstraße und deren Zentrum Außenbezirke der Galaxien Sterne, Doppelstern-Systeme Exoplaneten Gravitationslinsen - Ausblick 50

51 Literatur Carroll & Ostlie: Modern Astrophysics, Section 26.4 Wambsganss: Gravitational Lensing in Astronomy Evans: The First Heroic Decade of Microlensing html Gravitationslinsen - Literatur 51