Gravitationslinsen - Licht auf krummen Wegen. Max Camenzind Senioren-Uni SS2013

Transkript

1 Gravitationslinsen - Licht auf krummen Wegen Max Camenzind Senioren-Uni SS2013

2 DM Halos Gravitationslinsen Halos Dunkler Materie Background Galaxien Beobachter Lichtablenkung im Universum

3 Unsere Themen Die Lichtablenkung nach Einstein, Tests im Sonnensystem machte Einstein 1920 populär! Lichtablenkung an Schwarzen Löchern Die Linsengleichung im schwachen Gravitationsfeld Starke Gravitationslinsen: Einstein-Kreuz, Einstein-Ringe, Verstärkung und Scherung Dunkle Halos Galaxienhaufen als Linsen bestimmen Dunkle Materieverteilung. Mikrolinsen: Sterne im Galaktischen Halo als Gravitationslinsen Was sind MACHOs?

4 Auf dem Weg zu den Gravitationslinsen Soldner 1801: Licht als Masse-Korpuskel in der Newtonschen Gravitation irreführendes Bild! Einstein 1911 über Äquivalenzprinzip 0,85! in Prag: Über den Einfluss der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes (Ann. Phys. 35, 898) Freundlich will dies messen Einsteins Korrektur 1915 auch die Krümmung des Raumes trägt bei korrekter Wert: 1, /1922: Sonnenfinsternisse bestätigen Einstein Einstein wird sehr populär, auch in Berlin! Einstein 1936: Science 84: Linsenartige Wirkung eines Sterns durch Lichtablenkung im Gravitationsfeld Einstein: das Phänomen sei nicht beobachtbar. 1979: Doppelquasar Erste Gravitationslinse mit Quasar heute über 100 gelinste Quasare.

5 100 Jahre Allgemeine Relativität

6 Gravitation krümmt den Raum Lichtablenkung an Sonne b Photon beschreibt eine Geodäte in der RaumZeit a = 4GM/c²b = 1,7505 arcsec ( R Sonne / b )

7 Lichtablenkung an Sonne

8 1914: Krim 1919: Brasilien 1, ,4

9 Expedition Campbell 1922 Lick Observatorium nach Australien a = 1, ,2 arcsec

10 New York Times 1919 Einstein wurde sehr populär, auch in D?

11 Gravitationslinsen Beliebige Massenverteilung GLinse RaumZeit im schwachen Limes Newtonsches Potenzial F

12 Ablenkung Massenverteilung Ausdehnung der Linse gering zu typischen Distanzen

13 Geometrie der GLinse Quelle, Linse und Beobachter Optische Achse Quellebene Linsenebene a Ablenkwinkel b = Q - a Beobachter

14 Bild Die Linsengleichung Quelle Linse Ablenkpotenzial Beobachter

15 Beispiel 1: Punktmassenlinse Stoßparameter: b = D L Q Skalierter Ablenkwinkel Quadratische Gleichung in Q(b) Punktmasse erzeugt 2 Bilder

16 Beispiel 2: Halo Dunkler Materie Hülle Navarro-Frenk-White Halo-Profil Core Isothermes Halo-Profil Endliche Masse M H Endlicher Radius R H z.b. Elliptische Galaxie

17 Ablenkwinkel Isothermer Halo norm = 4GM H /c²r H ~ Bogensekunden

18 Isothermer Halo vs. NFW-Profil NFW Isotherm mit Cutoff R H = 12

19 Konstante Flächenbelegung Kritische Flächendichte, Galaxis Bulge S ~ 10 9 M S /kpc² Starke GLinse: S > S crit Schwache GLinse: S < S crit

20 Galaxienhaufen Massenprofile S crit

21 Halo GLinse mehrere Bilder

22 Experiment Weinglas als GLinse Einstein- Ring

23 Q Linse mit Quasar 1979: z Q = 1,41 M BH = 1,5x10 9 M S

24 HE z Q = 1,66; z L = 0,41

25 Das Einstein-Kreuz Q Quasar: 7,9 Gpc; GLinse: 168 Mpc

26 MG z Q = 2,64; z L = 0,96

27 Quasar H / z Q = 2,55

28 GLinsen: Galaxien als Quelle / HST

29 Der Einstein-Ring Beobachter Linse Quelle auf einer Achse Punktmassen-Linse erzeugt immer 2 Bilder b = 0 quadratische Gleichung in Q Einstein-Ring ~ Bogensekunden für Galaxien

30 Der Einstein-Ring einer Galaxie Beobachter Linse Quelle auf einer Achse Quelle Galaxie ~ Gpc Beobachter Linse Galaxie ~ 500 Mpc

31 Einstein-Ring SDSSJ1430

32 Einstein-Ring SDSSJ1430 Quelle Linse: E-Galaxie Bild

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34 Abbildungseigenschaften Verstärkung (Konvergenz) & Verscherung Kreis Ellipse

35 symmetrische Matrix

36 2 Kritische Linien - Hauptachsen Unendliche Verstärkung: 2 kritische Linien: g² = 1 g = 1, k = g = 1/2: tangential oder g = -1 : radial

37 DM Halos Scherung Navarro-Frenk-White Profil NFW divergiert im Zentrum! Isothermes Halo-Modell Maximum bei 2 Core-Radien

38 Abbildung Elliptische GLinse Einstein- Kreuz

39 Galaxienhaufen als Linsen Bögen & Weak Lensing Dichteprofil

40 Lichtablenkung durch Dunkle Materie

41 MACS CLJ MACS MACS MACS Abell 2261 MACS MACS RXJ Abell 963 MACS MACS Abell 611 MACS MACS Cluster distribution on sky 120 o 60 o 0 o 300 o 240 o MACS Median z=0.39 RXJ MACS Abell 383 MS RXJ MACS MACS MACS Abell 209 CLASH CLUSTER SAMPLE (Galactic Coordinates) Redshift Background: Schlegel et al. Galactic Extinction Map

42 MACSJ1206 / CLASH

43 Massenprofil Galaxienhaufen MACSJ Isothermer Halo?

44 Hintergrundgalaxien an GHaufen Unlensed Lensed

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46 Diese Methode ist empfindlich auf die Gradienten im Potenzial Der Linseneffekt verschert die Bilder von Hintergrund- Galaxien tangential

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49 DM Halos CFHTLenS Project

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52 Verteilung der DM Schwacher Mikrolinseneffekt Van Waerbeke, Heymans, and CFHTLens collaboration 10 Grad

53 Van Waerbeke, Heymans, & CFHTLens collaboration DM Halos mit GalHaufen

54 Zukunft DM Surveys

55 Gravitations-MikroLinsen Bilder können nicht aufgelöst werden (marcsec) Nur Verstärkung in Lichtkurve sichtbar! Gravitationslinsen: Halo Sterne, Braune Zwerge, WZ, MACHOs? Milchstraße mit Bulge 8 kpc Erde 250 Mio. Sterne in der Großen Magellanschen Wolke

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57 Sternenfeld Magellansche Wolke

58 OGLE-IV Felder in LMC Überwachung von 250 Mio. Sternen

59 1,3-m OGLE Teleskop Las Campanas OGLE = Optical Gravitational Lensing Experiment

60 OGLE Teleskop - OGLE-IV Kamera

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62 1. Mikrolinsen-Event 1992 MACHO, EROS, OGLE gleichzeitig

63 OGLE-IV Events 2011: 1500 Events 2012: 1200 Events

64 Einstein-Radius und Zeitskala GB Crossing-Zeit durch Einstein-Ring: t E = r E /v

65 Abbildung Mikrolinse r E b Im Unterschied zu veränderlichen Sternen ist die Lichtkurve achromatisch symmetrisch

66 Verstärkungsfaktor Flächenhelligkeit bleibt erhalten u(t) = b(t)/r E Nach Pythagoras: Verstärkungsformel:

67 Aufspaltung & Verstärkung

68 Aufspaltung & Verstärkung Punktlinse nur 2 Bilder Animation: Matthias Borchardt

69 Aufspaltung & Verstärkung Punktlinse nur 2 Bilder Offset Animation: Matthias Borchardt

70 Aufspaltung & Verstärkung MikroLinse & Planet Animation: Matthias Borchardt

71 Verstärkungsfaktor MikroLinsen u 0 = 0,01 u 0 = 0,1 u 0 = 0,2

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73 Typische Mikrolinsen-Lichtkurve Galactic Bulge Event Tausende von Mikrolinsen-Ereignissen wurden bisher in Richtung des Galaktischen Bulges detektiert. Existenz von Balken. In Richtung der Magellanschen Wolken werden hingegen keine kurzen Events (Zeitskalen von einigen Stunden bis zu 20 Tagen). Keine Massen unter 0,05 Sonnenmassen! MACHOS ausgeschlossen Typische Masse im Halo der Galaxis: 0,3 0,7 Sonnenmassen! WZ?

74 Mikrolinsen Richtung Andromeda Programme mit Pan-STARRS

75 ExoPlaneten mit µlens OGLE, MOA,

76 1. ExoPlanet mit Mikrolensing Binary M P = 2,6 M J, a = 4,3 AE ~ Sonnensystem

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79 ExoPlaneten mit Mikrolensing

80 Zusammenfassung Lichtablenkung ist ein wichtiges Phänomen der Einsteinschen Gravitation. Gravitationslinsen durch Galaxien und Galaxienhaufen. Man unterscheidet in starke und schwache Gravitationslinsen ~ 100 Quasare gelinst. Schwache Linsen weisen Dunkle Materie nach Mikrolinsen werden zur Untersuchung der Objekte im Galaktischen Halo herangezogen. Objekte des Halos haben Massen von 0,3 0,7 Sonnenmassen keine MACHOs! die ersten ExoPlaneten mit µlens entdeckt.