Anel de Einstein

Na astronomía observacional un anel de Khvolson ou anel de Einstein é unha deformación da luz dunha fonte lumínica (coma unha galaxia ou unha estrela) en anel producida pola desviación gravitacional da luz por unha lente (coma outra galaxia, ou buraco negro, ou materia escura que forman a masa da lente). Isto acontece cando a fonte emisora, a lente gravitacional e o observador están perfectamente aliñados; de non ser así, o anel só é parcial.

Aneis de Einstein vistos polo Hubble.

Introdución

Xeometría da lente gravitatoria

A desviación gravitacional da luz é un resultado da Teoría da Relatividade Xeral de Albert Einstein. A luz da fonte emisora viaxa, en lugar de facelo en liña recta (tridimensional), desviada (dobrada) pola presenza dun corpo masivo, que deforma o espazo-tempo. Un anel de Einstein é un caso especial dentro dos diferentes tipos de desviación gravitacional da luz, causado pola exacta aliñación da fonte emisora, a lente gravitacional e o observador; producíndose entón unha simetría arredor da lente, e resultando así unha estrutura semellante a un anel de luz.

O tamaño do anel de Einstein vén dado polo radio de Einstein. En radiáns,isto é: ${\displaystyle \theta _{E}=\left({\frac {4\cdot G\cdot M}{c^{2}}}\;{\frac {d_{LF}}{d_{L}\cdot d_{F}}}\right)^{1/2}}$ ou alternativamente, ${\displaystyle \theta _{E}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {d_{LS}}{d_{L}d_{S}}}}},}$ onde:

${\displaystyle G}$ : é a constante gravitacional,

${\displaystyle M}$ : é a masa da lente,

${\displaystyle c}$ : é a velocidade da luz,

${\displaystyle d_{L}}$ : é a distancia ata a lente,

${\displaystyle d_{F}}$ : é a distancia ata a fonte, e

${\displaystyle d_{LF}}$ : é a distancia entre a lente e a fonte.

Nótese que, sobre distancias cosmolóxicas, en xeral: ${\displaystyle d_{LS}\neq d_{s}-d_{L}}$.

Historia

O pregamento da luz por un corpo gravitacional foi previsto por Einstein no 1912, uns anos antes da publicación da Relatividade Xeral no 1916. O efecto da desviación en forma de anel foi mencionado por primeira vez na literatura académica polo físico ruso Orest Danilovich Khvolson no ano 1924. Albert Einstein comentou sobor deste efecto, no ano 1936, que:

Por suposto, non hai esperanza de observar este fenómeno directamente. En primeiro lugar, dificilmente imos ter unha visión o suficiente de preto para unha liña (de visión) tan central. En segundo lugar, o ángulo β ha desafiar o poder de resolución dos nosos instrumentos.^[1]

Nesta declaración β é o Radio de Einstein, modernamente denotado θ_E. Einstein consideraba que a posibilidade de observar un anel producido por estrelas, son baixas (serían microlentes gravitatorias); porén, a posibilidade de observar aneis producidos por lentes mais grandes coma galaxias ou buratos negros é máis alta dado que o tamaño angular dos aneis de Einstein aumenta coa masa da lente.

Aneis coñecidos

Na actualidade coñécense centos de aneis de Einstein. Preto de media ducia deles son aneis parciais, con diámetros de ata un arcosegundo, na maioría, ou a distribución de masa é irregular, ou non existe unha aliñación perfecta, polo que non se ten observado un anel perfecto.

O primeiro anel de Einstein practicamente completo, designado B1938+666, foi descuberto nun traballo de colaboración entre a Universidade de Manchester e o Telescopio espacial Hubble da NASA no ano 1998.^[2]

Aneis extra

SDSSJ0946+1006 é un Anel de Einstein Doble. Créditos: HST/NASA/ESA

Raphael Gavazzi do STScI e Treu Tommaso da Universidade de California en Santa Barbara usando o Telescopio Espacial Hubble atoparon un anel dobre. Xorde a partir da luz de tres galaxias a 3, 6 e 11 millóns de anos luz de distancia. Estes aneis axúdanos na comprensión da distribución da materia escura, a enerxía escura, a natureza da galaxias afastadas, e a curvatura do universo. As posibilidades de atopar un anel dobre é de 1 entre 10.000. Unha mostraxe axeitada de 50 aneis dobres serviría para facilitar aos astrónomos unha medida máis precisa do contido de materia escura do universo e da ecuación de estado da enerxía escura cun 10 por cento de precisión. ^[3]

Unha simulación

Simulación de aneis de Einstein preto dun burato negro.

A imaxe da dereita é unha simulación que describe un zoom nun burato negro (ou o que é o mesmo, unha singularidade de Schwarzschild) fronte á Vía Láctea. O primeiro anel de Einstein corresponde á rexión máis distorsionada da imaxe e está claramente representado polo disco galáctico. O zoom revela unha serie de catro aneis extra, cada vez máis finos e máis preto da sombra do burato negro. Son facilmente visíbeis a través das varias imaxes do disco galáctico. Uns aneis corresponden aos puntos que están detrás do burato negro (o punto de vista do observador) e corresponden aquí á rexión amarela brillante do disco galáctico (preto do centro da galaxia), mentres que outros aneis corresponden a imaxes de rexións que están detrás do observador, que aparecen máis azuis dende a parte correspondente do disco galáctico.

Notas

1. Science vol 84 p 506 1936
2. 'Einstein Ring' Caused by Space Warping Is Found - New York Times
3. "Hubble Finds Double Einstein Ring". hubblesite.org. Instituto Científico do Telescopio Espacial Hubble. Consultado o 07-04-2011.

Véxase tamén

Outros artigos

• Lente gravitacional.
• Radio de Einstein.
• Relatividade xeral.
• Espazo-tempo.
• Materia escura.