Anillo de Einstein

Característica que se observa cuando la luz es proyectada gravitacionalmente por un objeto

Un anillo de Einstein , también conocido como anillo de Einstein-Chwolson o anillo de Chwolson (llamado así por Orest Chwolson ), se crea cuando la luz de una galaxia o estrella pasa por un objeto masivo en su camino hacia la Tierra. Debido al efecto de lente gravitacional , la luz se desvía, lo que hace que parezca provenir de diferentes lugares. Si la fuente, la lente y el observador están todos en perfecta alineación ( sicigia ), la luz aparece como un anillo.

Introducción

La teoría de la relatividad general de Albert Einstein predice el efecto de lente gravitacional . ^[1] En lugar de que la luz de una fuente viaje en línea recta (en tres dimensiones), se desvía por la presencia de un cuerpo masivo, lo que distorsiona el espacio-tiempo . Un anillo de Einstein es un caso especial de efecto de lente gravitacional, causado por la alineación exacta de la fuente, la lente y el observador. Esto da como resultado simetría alrededor de la lente, lo que causa una estructura similar a un anillo. ^[2]

La geometría de un anillo de Einstein completo, causada por una lente gravitacional

El tamaño de un anillo de Einstein viene dado por el radio de Einstein . En radianes , es

${\displaystyle \theta _{1}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {D_{LS}}{D_{S}D_{L}}}}},}$

dónde

${\displaystyle G}$es la constante gravitacional ,

${\displaystyle M}$es la masa de la lente,

${\displaystyle c}$es la velocidad de la luz ,

${\displaystyle D_{L}}$es la distancia del diámetro angular a la lente,

${\displaystyle D_{S}}$es la distancia del diámetro angular a la fuente, y

${\displaystyle D_{LS}}$es la distancia de diámetro angular entre la lente y la fuente. ^[3]

Sobre distancias cosmológicas en general. ${\displaystyle D_{LS}\neq D_{S}-D_{L}}$

Historia

La galaxia SDP.81, con efecto de lente gravitacional, captada por ALMA . ^[4]

La curvatura de la luz por un cuerpo gravitacional fue predicha por Albert Einstein en 1912, unos años antes de la publicación de la relatividad general en 1916 (Renn et al. 1997). El efecto de anillo fue mencionado por primera vez en la literatura académica por Orest Khvolson en un breve artículo de 1924, en el que mencionó el “efecto halo” de la gravitación cuando la fuente, la lente y el observador están en una alineación casi perfecta. ^[5] Einstein comentó sobre este efecto en 1936 en un artículo inspirado en una carta de un ingeniero checo, RW Mandl, ^[6] pero afirmó

Por supuesto, no hay esperanza de observar este fenómeno directamente. En primer lugar, rara vez nos acercaremos lo suficiente a una línea central de este tipo. En segundo lugar, el ángulo β desafiará el poder de resolución de nuestros instrumentos.

—  Ciencia vol. 84 pág. 506 1936

(En esta afirmación, β es el ángulo de Einstein actualmente denotado por como en la expresión anterior). Sin embargo, Einstein solo estaba considerando la posibilidad de observar anillos de Einstein producidos por estrellas, que es baja; la posibilidad de observar aquellos producidos por lentes más grandes, como galaxias o agujeros negros, es mayor ya que el tamaño angular de un anillo de Einstein aumenta con la masa de la lente. ${\displaystyle \theta _{1},}$

El primer anillo de Einstein completo, designado B1938+666, fue descubierto gracias a la colaboración entre astrónomos de la Universidad de Manchester y el telescopio espacial Hubble de la NASA en 1998. ^[7]

Al parecer no ha habido ninguna observación de una estrella formando un anillo de Einstein con otra estrella, pero hay un 45% de posibilidades de que esto ocurra a principios de mayo de 2028, cuando Alpha Centauri A pase entre nosotros y una estrella roja distante. ^[8]

Anillos de Einstein conocidos

Imagen de un cúmulo de galaxias (SDSS J1038+4849) y de un “gato de Cheshire” con efecto de lente gravitacional (un “anillo de Einstein”) descubierto por un equipo internacional de científicos ^[9] , fotografiado con el telescopio Hubble . ^[10]

Actualmente se conocen cientos de lentes gravitacionales. Alrededor de media docena de ellas son anillos de Einstein parciales con diámetros de hasta un segundo de arco , aunque como la distribución de masa de las lentes no es perfectamente simétrica axialmente , o la fuente, la lente y el observador no están perfectamente alineados, aún no hemos visto un anillo de Einstein perfecto. La mayoría de los anillos se han descubierto en el rango de radio. El grado de completitud necesario para que una imagen vista a través de una lente gravitacional se califique como un anillo de Einstein aún está por definir.

El primer anillo de Einstein fue descubierto por Hewitt et al. (1988), quienes observaron la fuente de radio MG1131+0456 utilizando el Very Large Array . Esta observación permitió ver un cuásar proyectado por una galaxia más cercana en dos imágenes separadas pero muy similares del mismo objeto, las imágenes se extendieron alrededor de la lente en un anillo casi completo. ^[11] Estas imágenes duales son otro posible efecto de que la fuente, la lente y el observador no estén perfectamente alineados.

Imagen en falso color del JWST de SPT0418-47 , una galaxia de alto corrimiento al rojo rica en moléculas orgánicas, que aparece como un anillo de Einstein casi perfecto.

El primer anillo de Einstein completo que se descubrió fue B1938+666, que fue encontrado por King et al. (1998) a través del seguimiento óptico con el telescopio espacial Hubble de una lente gravitacional fotografiada con MERLIN . ^{[7] [12]} La galaxia que causa la lente en B1938+666 es una antigua galaxia elíptica , y la imagen que vemos a través de la lente es una galaxia satélite enana oscura , que de otra manera no podríamos ver con la tecnología actual. ^[13]

En 2005, la potencia combinada del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) con el telescopio espacial Hubble se utilizó en el Sloan Lens ACS Survey (SLACS) Survey para encontrar 19 nuevas lentes gravitacionales, 8 de las cuales mostraban anillos de Einstein, ^[14] éstas son las 8 que se muestran en la imagen adyacente. A partir de 2009, este estudio ha encontrado 85 lentes gravitacionales confirmadas, pero aún no hay un número de cuántas muestran anillos de Einstein. ^[15] Este estudio es responsable de la mayoría de los descubrimientos recientes de anillos de Einstein en el rango óptico, a continuación se muestran algunos ejemplos que se encontraron:

• PARA J0332-3557, descubierto por Remi Cabanac et al. en 2005, ^[16] notable por su alto corrimiento al rojo que nos permite usarlo para hacer observaciones sobre el universo temprano .
• La " herradura cósmica " es un anillo de Einstein parcial que se observó a través de la lente gravitacional de LRG 3-757, una galaxia roja luminosa de gran tamaño. Fue descubierta en 2007 por V. Belokurov et al. ^[17]
• SDSSJ0946+1006 , el "doble anillo de Einstein" fue descubierto por Raphael Gavazzi y Tomasso Treu ^[18] en 2008, notable por la presencia de múltiples anillos observados a través de la misma lente gravitacional, cuyo significado se explica en la siguiente sección sobre anillos adicionales .

Otro ejemplo es el anillo de Einstein de radio/rayos X alrededor de PKS 1830-211 , que es inusualmente fuerte en radio. ^[19] Fue descubierto en rayos X por Varsha Gupta et al. en el observatorio de rayos X Chandra ^{[20] También es notable por ser el primer caso de un cuásar que es impactado por una} galaxia espiral casi de frente . ^[21]

La galaxia MG1654+1346 presenta un anillo de radio. La imagen del anillo es la de un lóbulo de radio de un cuásar , descubierto en 1989 por G. Langston et al. ^[22]

En junio de 2023, un equipo de astrónomos dirigido por Justin Spilker anunció el descubrimiento de un anillo de Einstein de una galaxia distante rica en moléculas orgánicas ( hidrocarburos aromáticos ). ^{[23] [24]}

Anillos extra

SDSSJ0946+1006 es un anillo doble de Einstein. Crédito: HST / NASA / ESA

Utilizando el telescopio espacial Hubble, Raphael Gavazzi del STScI y Tommaso Treu de la Universidad de California en Santa Bárbara han descubierto un anillo doble . Éste surge de la luz de tres galaxias a distancias de 3, 6 y 11 mil millones de años luz. Estos anillos ayudan a comprender la distribución de la materia oscura , la energía oscura , la naturaleza de las galaxias distantes y la curvatura del universo . Las probabilidades de encontrar un anillo doble de este tipo alrededor de una galaxia masiva son de 1 en 10.000. El muestreo de 50 anillos dobles adecuados proporcionaría a los astrónomos una medición más precisa del contenido de materia oscura del universo y la ecuación de estado de la energía oscura con una precisión del 10 por ciento. ^[25]

Simulación

En la sección Galería de imágenes que se muestra a continuación se muestra una simulación que muestra un zoom de un agujero negro de Schwarzschild en el plano de la Vía Láctea entre nosotros y el centro de la galaxia. El primer anillo de Einstein es la región más distorsionada de la imagen y muestra el disco galáctico . El zoom revela a continuación una serie de 4 anillos adicionales, cada vez más delgados y más cercanos a la sombra del agujero negro. Son imágenes múltiples del disco galáctico. El primero y el tercero corresponden a puntos que están detrás del agujero negro (desde la posición del observador) y corresponden aquí a la región amarilla brillante del disco galáctico (cerca del centro galáctico), mientras que el segundo y el cuarto corresponden a imágenes de objetos que están detrás del observador, que aparecen más azules, ya que la parte correspondiente del disco galáctico es más delgada y, por lo tanto, más oscura aquí.

Galería

• 
  Algunos anillos de Einstein observados por SLACS
• 
  Los arcos elegantes alrededor de SDSSJ0146-0929 son ejemplos de un anillo de Einstein
• 
  Una vista simulada de un agujero negro pasando frente a una galaxia.
• 
  Montaje del anillo de Einstein SDP.81 y la galaxia con efecto lente
• 
  Anillos de Einstein cerca de un agujero negro

Véase también

• Cruz de Einstein
• Radio de Einstein
• Referencias SN

Referencias

1. Overbye, Dennis (5 de marzo de 2015). "Los astrónomos observan una supernova y descubren que están viendo repeticiones". The New York Times . Consultado el 5 de marzo de 2015 .
2. Drakeford, Jason; Corum, Jonathan; Overbye, Dennis (5 de marzo de 2015). "El telescopio de Einstein - video (02:32)". The New York Times . Consultado el 27 de diciembre de 2015 .
3. Pritchard, Jonathan. "Gravitational lensing" (PDF) . Harvard y Smithsonian. pág. 19. Consultado el 21 de diciembre de 2019 .
4. "ALMA en su máxima capacidad ofrece imágenes espectaculares". Anuncio de ESO . Consultado el 22 de abril de 2015 .
5. Turner, Christina (14 de febrero de 2006). "La historia temprana de las lentes gravitacionales" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 25 de julio de 2008.
6. Maurer, Stephen M. "IDEA MAN" (PDF) . www.slac.stanford.edu . Consultado el 4 de noviembre de 2023 .
7. "Un blanco para MERLIN y el Hubble". Universidad de Manchester. 27 de marzo de 1998.
8. P. Kervella; et al. (19 de octubre de 2016). "Conjunciones estelares cercanas de α Centauri A y B hasta 2050". Astronomía y astrofísica . 594 : A107. arXiv : 1610.06079 . Bibcode :2016A&A...594A.107K. doi :10.1051/0004-6361/201629201. S2CID  55865290.
9. Belokurov, V.; et al. (enero de 2009). "Dos nuevas lentes gravitacionales de gran separación de SDSS". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 392 (1): 104–112. arXiv : 0806.4188 . Bibcode :2009MNRAS.392..104B. doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.14075.x . S2CID  14154993.
10. Loff, Sarah; Dunbar, Brian (10 de febrero de 2015). "Hubble ve una lente sonriente". NASA . Consultado el 10 de febrero de 2015 .
11. "Descubrimiento de la primera lente gravitacional "anillo de Einstein"". NRAO . 2000 . Consultado el 8 de febrero de 2012 .
12. Browne, Malcolm W. (31 de marzo de 1998). "Se descubre un 'anillo de Einstein' causado por la deformación del espacio". The New York Times . Consultado el 1 de mayo de 2010 .
13. Vegetti, Simona; et al. (enero de 2012). "Detección gravitacional de un satélite oscuro de baja masa a distancia cosmológica". Nature . 481 (7381): 341–343. arXiv : 1201.3643 . Bibcode :2012Natur.481..341V. doi :10.1038/nature10669. PMID  22258612. S2CID  205227095.
14. Bolton, A; et al. "Hubble y Sloan cuadruplican el número de anillos ópticos de Einstein conocidos". Hubblesite . Consultado el 16 de julio de 2014 .
15. Auger, Matt; et al. (noviembre de 2009). "The Sloan Lens ACS Survey. IX. Colors, lensing and Stellar Masses of Early-type Galaxies". The Astrophysical Journal . 705 (2): 1099–1115. arXiv : 0911.2471 . Código Bibliográfico :2009ApJ...705.1099A. doi :10.1088/0004-637X/705/2/1099. S2CID  118411085.
16. Cabanac, Remi; et al. (27 de abril de 2005). "Descubrimiento de un anillo de Einstein de alto corrimiento al rojo". Astronomía y astrofísica . 436 (2): L21–L25. arXiv : astro-ph/0504585 . Bibcode :2005A&A...436L..21C. doi :10.1051/0004-6361:200500115. S2CID  15732993.
17. Belokurov, V.; et al. (diciembre de 2007). "La herradura cósmica: descubrimiento de un anillo de Einstein alrededor de una galaxia roja luminosa gigante". The Astrophysical Journal . 671 (1): L9–L12. arXiv : 0706.2326 . Código Bibliográfico :2007ApJ...671L...9B. doi :10.1086/524948. S2CID  9908281.
18. Gavazzi, Raphael; et al. (abril de 2008). "The Sloan Lens ACS Survey. VI: Discovery and Analysis of a Double Einstein Ring". The Astrophysical Journal . 677 (2): 1046–1059. arXiv : 0801.1555 . Código Bibliográfico :2008ApJ...677.1046G. doi :10.1086/529541. S2CID  14271515.
19. Mathur, Smita; Nair, Sunita (20 de julio de 1997). "Absorción de rayos X hacia la fuente del anillo de Einstein PKS 1830-211". The Astrophysical Journal . 484 (1): 140–144. arXiv : astro-ph/9703015 . Código Bibliográfico :1997ApJ...484..140M. doi :10.1086/304327. S2CID  11435604.
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22. Langston, GI; et al. (mayo de 1989). "MG 1654+1346: una imagen del lóbulo de radio de un cuásar obtenida por el anillo de Einstein". Astronomical Journal . 97 : 1283–1290. Bibcode :1989AJ.....97.1283L. doi :10.1086/115071.
23. Spilker, Justin S.; Phadke, Kedar A. (2 de junio de 2023). "Variaciones espaciales en la emisión de hidrocarburos aromáticos en una galaxia rica en polvo". Nature . 618 (7966): 708–711. arXiv : 2306.03152 . Bibcode :2023Natur.618..708S. doi :10.1038/s41586-023-05998-6. PMID  37277615. S2CID  259088774.
24. Hutchins, Shana K. (5 de junio de 2023). "El telescopio Webb detecta las moléculas orgánicas más distantes del universo". Texas A&M Today . Consultado el 29 de junio de 2023 .
25. "Hubble encuentra un anillo doble de Einstein". Hubblesite.org . Instituto Científico del Telescopio Espacial . Consultado el 26 de enero de 2008 .

Revistas

• Cabanac, RA; et al. (2005). "Descubrimiento de un anillo de Einstein de alto corrimiento al rojo". Astronomía y Astrofísica . 436 (2): L21–L25. arXiv : astro-ph/0504585 . Bibcode :2005A&A...436L..21C. doi :10.1051/0004-6361:200500115. S2CID  15732993.(se refiere a FOR J0332-3357)
• Chwolson, O (1924). "Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne". Astronomische Nachrichten . 221 (20): 329–330. Código Bib : 1924AN....221..329C. doi :10.1002/asna.19242212003.(El primer artículo que propone anillos)
• Einstein, Albert (1936). "Acción de una estrella similar a una lente por la desviación de la luz en el campo gravitatorio" (PDF) . Science . 84 (2188): 506–507. Bibcode :1936Sci....84..506E. doi :10.1126/science.84.2188.506. PMID  17769014.^{[ enlace muerto permanente ‍ ]} (El famoso artículo sobre el anillo de Einstein)
• Hewitt, J (1988). "Fuente de radio inusual MG1131+0456: un posible anillo de Einstein". Nature . 333 (6173): 537–540. Código Bibliográfico :1988Natur.333..537H. doi :10.1038/333537a0. S2CID  23277001.
• Renn, Jurgen; Sauer, Tilman; Stachel, John (1997). "El origen de las lentes gravitacionales: una posdata al artículo científico de Einstein de 1936". Science . 275 (5297): 184–186. Bibcode :1997Sci...275..184R. doi :10.1126/science.275.5297.184. PMID  8985006. S2CID  43449111.
• King, L (1998). "Un anillo de Einstein infrarrojo completo en el sistema de lentes gravitacionales B1938 + 666". MNRAS . 295 (2): L41–L44. arXiv : astro-ph/9710171 . Código Bibliográfico :1998MNRAS.295L..41K. doi : 10.1046/j.1365-8711.1998.295241.x . S2CID  15647305.

Noticias

• Barbour, Jeff (29 de abril de 2005). «Se descubre un anillo de Einstein casi perfecto». Universe Today . Consultado el 15 de junio de 2006 .(se refiere a FOR J0332-3357)
• "Hubble encuentra un anillo doble de Einstein". Science Daily. 12 de enero de 2008. Consultado el 14 de enero de 2008 .

Lectura adicional

• Kochanek, CS; Keeton, CR; McLeod, BA (2001). "La importancia de los anillos de Einstein". The Astrophysical Journal . 547 (1): 50–59. arXiv : astro-ph/0006116 . Código Bibliográfico :2001ApJ...547...50K. doi :10.1086/318350. S2CID  16122139.