Astronomía

¿Cuál es la escala de las cosas que puede ver con lentes gravitacionales?

¿Cuál es la escala de las cosas que puede ver con lentes gravitacionales?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Estoy tratando de entender los ejemplos de lentes de gravedad (usando la propiedad de relatividad general de grandes masas para doblar la luz como una lente).

La mayoría de los ejemplos que veo son de alguna galaxia (presumiblemente una gran masa) entre nosotros y una estrella (o al menos son lo suficientemente vagos como para no especificar.

Sin embargo, mi comprensión intuitiva del cielo es que todas las estrellas que vemos están relativamente cerca, todas completamente dentro de la galaxia de la Vía Láctea (y muchas de las estrellas de nuestra galaxia proporcionan un brillo general), y que otras galaxias están lo suficientemente lejos como para Es difícil imaginar estrellas individuales. Los únicos objetos individuales lo suficientemente grandes como comparables a una galaxia serían un quásar. ¿Está bien?

Entonces, ¿qué sucede generalmente con los ejemplos de lentes de gravedad? Me cuesta creer los subtítulos que dicen que una galaxia permite ver estrellas más distantes. Creo que solo se podría aplicar ese concepto a una estrella o galaxia para ver algo mucho más lejano y tan grande o mucho más grande. ¿Se podría realmente usar una galaxia como lente para ver una estrella? No esperaría que una estrella fuera detrás una galaxia de nosotros.

Además, cualesquiera que sean los objetos en sí, ¿cuál es la escala? Si la lente es de una galaxia hecha por una estrella, esperaría que la relación de distancia entre estrella y galaxia esté muy por debajo de 1: 1000 (~ ancho de la Vía Láctea a la distancia a Andrómeda). Pero para lentes de galaxia a galaxia o de cúmulo de galaxias a galaxia o cuásar, ¿cuáles son las distancias relativas probables?


Tienes razón en que las estrellas que se ven en el cielo están dentro de la Vía Láctea. Solo con un telescopio grande es posible resolver estrellas individuales en otras galaxias, y solo para las más cercanas.

No sé a qué fuentes te refieres, creo que quizás estás confundiendo los diferentes tipos de lentes gravitacionales. No puedo explicarlos mejor que la excelente reseña de astromax, pero brevemente, hay tres tipos:

  1. Lente fuerte, donde el cúmulo de galaxias en primer plano (es decir, un grupo de $ sim $ 100-1000 galaxias) magnifica y distorsiona severamente las galaxias de fondo,

  2. Lente débil, donde los cúmulos o galaxias individuales distorsionan las formas de muchas galaxias de fondo en la escala de porcentaje, que solo se puede ver estadísticamente, y

  3. Microlente, donde un solo objeto dentro de la Vía Láctea pasa frente a otro solo objeto, también dentro de la Vía Láctea. Estos objetos suelen ser estrellas o planetas y no distorsionan las imágenes de los objetos de fondo, sino que simplemente aumentan el flujo durante un tiempo. Este efecto se ha utilizado para encontrar exoplanetas.

Mientras que los tipos 1 y 2 son más o menos estáticos durante la vida humana, el tipo 3 es un evento que ocurre una sola vez para un conjunto dado de estrellas (como se ve desde la Tierra).

Escamas

Las lentes fuertes y débiles ocurren en escalas muy grandes, desde unos pocos cientos de millones de años luz, hasta el orden del tamaño del Universo observable (por ejemplo, Wong et al. 2014). Mientras que las lentes en sí mismas son un cúmulo de galaxias y, por lo tanto, de unas pocas a $ sim10 $ megaparsec de ancho, el objeto de las lentes son típicamente galaxias individuales. La lente gravitacional es más eficiente cuando la lente está a medio camino entre nosotros y la fuente de fondo.

Ocurriendo en la Vía Láctea, la microlente, por otro lado, ocurre en la escala de unos pocos kiloparsec, nuevamente con la distancia entre la lente y la lente del mismo orden que la distancia entre la lente y el objeto de fondo (ver por ejemplo, esta lista de Wikipedia).


Lente gravitacional

lata lente gravitacional de las galaxias intermedias causan las ondas observadas en el Fondo Cósmico de Microondas? (Avanzado)
¿Podría una teoría diferente de la gravedad explicar el misterio de la materia oscura? (Intermedio)
¿Cómo se detectan los planetas alrededor de otras estrellas? (Intermedio).

Lente gravitacional - Imagine the Universe de la NASA
Lente gravitacional - descripciones detalladas de UBC
Observaciones del espacio-tiempo que dobla la luz: buenas descripciones con algunas matemáticas de Caltech
Lente gravitacional tutorial
Anillos de Einstein
Los anillos de Einstein en el espacio
Wikipedia sobre "Old Faithful".

Uso de astrónomos Lente gravitacional medir la constante de Hubble

Los investigadores encuentran siete cúmulos aislados de galaxias enanas.

- por Ricky Leon Murphy:
Introducción
Una lente gravitacional
La lente de gravedad en uso
Lente de gravedad y materia oscura: microlente
Lente de gravedad y materia oscura - Lentes débiles
Lente de gravedad y materia oscura - Lente fuerte
Resumen
Referencias
Sitios web
Créditos de imagen.

El efecto inducido en la imagen de un objeto distante por un objeto masivo en primer plano. La luz del objeto distante se dobla en dos o más imágenes separadas.

: La luz alrededor de un objeto masivo, como un agujero negro, se dobla, lo que hace que actúe como una lente para las cosas que se encuentran detrás de él. Los astrónomos utilizan habitualmente este método para estudiar estrellas y galaxias detrás de objetos masivos.

por lentes esféricamente simétricas con momento angular p. 393
M. Sereno y V. F. Cardone
DOI:.

Como vimos en Black Holes y Curved Spacetime, el espacio-tiempo está más fuertemente curvado en regiones donde el campo gravitacional es fuerte. La luz que pasa muy cerca de una concentración de materia parece seguir una trayectoria curva.

efecto de estructuras cósmicas masivas que forman modos B a medida que viaja a través del universo. (Crédito: ESA).

. La distorsión o amplificación de la luz de un objeto debido a la presencia de un objeto masivo en la trayectoria de la luz.

- débil y fuerte
Las lentes comunes hacen que los rayos de luz cambien de dirección. Si los diseñamos correctamente, podemos enfocar diferentes rayos en una ubicación deseada.
La gravedad también puede hacer que los rayos de luz cambien de dirección.

es el desplazamiento de la luz debido a la deformación del espacio por una lente gravitacional (un objeto masivo en el espacio que dobla la luz que pasa por él, debido a las fuerzas gravitacionales).
.

Otra cosa que se ve ocasionalmente con cuásares y otras galaxias distantes es uno de los efectos de la Relatividad General, la distorsión del espacio debido a objetos masivos. Digamos que tienes un montón de galaxias en un cúmulo.

[C95]
Ley de Lenz
La corriente inducida por una fuerza electromotriz aparecerá en una dirección tal que se oponga a la carga que la produjo. [H76]
Leo I.

Una galaxia u otro objeto masivo que se interpone entre la Tierra y un objeto más distante. Su gravedad desvía la luz del objeto distante y crea imágenes distorsionadas o múltiples del mismo. Vea las siguientes dos imágenes.

Clima espacial Clústeres Encuestas de baja frecuencia Cosmología Objetos compactos Núcleos galácticos activos Transitorios de radio Galaxias cercanas Publicaciones de astronomía
INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
Receptores compactos Refrigeración Aceleradores Calibración e imágenes
Nube de ciencia abierta
Centro de datos científicos.

de la luz de galaxias distantes y quásares por galaxias más cercanas o cúmulos de galaxias nos permite calcular la cantidad de masa en la galaxia o cúmulo de galaxias más cercanos a partir de la cantidad de curvatura de la luz. La masa derivada es mayor que la cantidad de masa en la materia visible.

en el Galaxy Cluster.
Estas fotografías del telescopio Hubble muestran varios quásares.
Este es el Barred Sprial Galaxy, NGC 1365.

se refiere al fenómeno de la luz de la fuente que se dobla (o lente) mientras viaja hacia la persona que la observa.

La creación de una imagen distorsionada de un cuásar o galaxia distante cuando su luz es enfocada por la gravedad de una galaxia entre él y nosotros.
microlente gravitacional.

"hace que la luz parezca provenir de cuatro puntos diferentes en lugar de una sola supernova. El astrofísico noruego Sjur Refsdal predijo este tipo de supernova de cuatro lentes hace 50 años.

medir la masa de las enanas blancas
Un equipo internacional de científicos ha encontrado una forma de utilizar estrellas enanas blancas como lentes gravitacionales, lo que permitirá a los astrónomos medir su masa.

Cuando observamos algunos grupos, vemos otro efecto predicho por Einstein, llamado fuerte

. Dado que Einstein predijo que los objetos masivos pueden deformar el espacio-tiempo, mostró que la luz de un objeto de fondo se desviará si pasa por un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias.

Estas son fuentes muy débiles que han sido magnificadas por el

de un cúmulo de galaxias en primer plano, e incluso entonces apenas detectado con exposiciones muy largas en los telescopios Keck.

El equipo utilizó datos de PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork) y OGLE (Optical

Utilizará una técnica llamada

, que se basa en la gravedad de las estrellas y los planetas para doblar y magnificar la luz proveniente de las estrellas que pasan detrás de ellos, desde el punto de vista del telescopio.

efecto, que produce las estructuras en forma de arco.

Una explicación de la acción capilar
Acción capilar
La acción capilar, capilaridad, movimiento capilar o mecha se refiere a dos fenómenos: # El movimiento de líquidos en tubos delgados.

Una concentración de materia como una galaxia o un cúmulo de galaxias que desvía los rayos de luz de un objeto de fondo.

da como resultado imágenes duplicadas de objetos distantes.
Gravedad
Una fuerza física mutua de la naturaleza que hace que dos cuerpos se atraigan entre sí.

La materia oscura también tira de la luz a su paso, doblando su camino, un fenómeno llamado

. Y ahora, al estudiar dónde aparece esa lente en el cielo, un equipo internacional de científicos ha publicado un mapa detallado en 3D de la materia oscura.

Observaciones de los movimientos de las estrellas y el gas en las galaxias, las velocidades radiales de las galaxias de los cúmulos, las propiedades del gas caliente de los cúmulos y

de galaxias distantes de fondo por cúmulos de galaxias en primer plano sugieren que existen grandes cantidades de Materia Oscura.

Ostriker, J. P. y Vietri, M. "Are some BL Lacs Artifacts of

En 1933, Zwicky infirió la presencia de materia oscura al observar que los miembros periféricos del cúmulo de coma se movían más rápidamente de lo que podría explicarse por la masa calculada del cúmulo, y cuatro años más tarde sugirió que la materia oscura podría investigarse a través de

Eksoplanet-eksoplanet MOA dan OGLE ditemukan berdasarkan teknik observasi khusus, yaitu pelensaan-mikro gravitasi, dalam proyek Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) dan proyek Optical

En la imagen de arriba, los datos del VLA (verde) se superponen a los datos del Telescopio Espacial Hubble (HST) de Cloverleaf. Las cuatro imágenes de la galaxia Cloverleaf son el resultado de

.
Adaptado del comunicado de prensa en adelante.
Nueva comprensión de los fuegos artificiales solares.

Anillo de Einstein: una imagen en forma de anillo o arco que se crea cuando la luz emitida desde una fuente distante es doblada por la influencia gravitacional de un objeto masivo en primer plano. Este efecto se llama

permite a los astrónomos observar objetos que de otro modo estarían demasiado distantes para estudiarlos.

Y aunque los quásares son brillantes, los astrónomos también los ven solo porque son brillantes. La masa en las galaxias en primer plano puede actuar como anteojos, magnificando la imagen del cuásar en lo que los astrónomos llaman

Evento de microlente: el brillo temporal de un objeto distante que ocurre porque su luz se enfoca en la Tierra por el

Su rápida rotación sugeriría que el quásar creció a través de una fusión con otra galaxia, en lugar de arrastrar material espacial, lo que probablemente resultaría en una velocidad de giro mucho más lenta.

causada por una galaxia elíptica ubicada entre RX J1131-1231 y la Tierra ha creado cuatro imágenes de la.

La teoría de Einstein predice que la dirección de propagación de la luz debería cambiarse en un campo gravitacional, contrariamente a las predicciones newtonianas. Observaciones precisas indican que Einstein tiene razón, tanto sobre el efecto como sobre su magnitud. Una consecuencia sorprendente es

Otros telescopios detectan rayos X, emitidos cuando las estrellas de neutrones atraen material hacia su gravedad. Un campo relativamente nuevo de la astronomía estelar involucra

, en el que telescopios espaciales como el Hubble pueden observar estrellas increíblemente distantes a través del efecto de aumento natural de las galaxias en primer plano.

Zwicky también usa el teorema virial para deducir la existencia de materia invisible (lo que ahora se llama materia oscura) en el universo, así como el efecto de


Ver el universo con las gafas de Einstein

Un estudio de 13 millones de galaxias y 200.000 cuásares utiliza la teoría de la gravedad de Einstein para confirmar un lado oscuro del universo.

La luz que viaja a miles de millones de años luz para llegar hasta nosotros es doblada por grupos de materia a lo largo de su camino. Albert Einstein, a quien se recuerda este año por su asombrosa producción científica de 1905, predijo esta llamada lente gravitacional cuando caracterizó la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo.

Los intentos anteriores de medir la lente de cuásares lejanos no habían logrado ver un efecto que coincidiera con la imagen estándar de la cosmología, lo que generó algunas dudas sobre la validez de ese modelo. Pero un análisis del Sloan Digital Sky Survey, publicado la semana pasada, pone fin a la controversia.

"Esto es exactamente lo que se espera de las lentes gravitacionales y el modelo cosmológico", dijo Brice Menard del Instituto de Estudios Avanzados, donde Einstein trabajó hasta su muerte en 1955.

Específicamente, estos nuevos resultados confirman que las galaxias, que actúan como lentes para cuásares más distantes, son más de lo que parece. La materia emisora ​​de luz en las galaxias no es suficiente para explicar su poder de aumento. Tiene que haber más masa en forma de materia oscura.

"Si no hubiera materia oscura, [los investigadores] no hubieran medido la señal que vieron", dijo Josh Frieman de la Universidad de Chicago, que no participó en el análisis.

Según las estimaciones más recientes, hay unas diez veces más materia oscura que la materia "normal" que forma las estrellas, el gas y los planetas.

En el futuro, Menard y sus colegas planean utilizar la señal de lente gravitacional para trazar exactamente cómo se distribuye la materia oscura alrededor de las galaxias.

Una forma de entender las lentes gravitacionales es imaginar el espacio como una lámina de goma. La sábana se deforma o se curva cuando se coloca sobre ella algo pesado, como una bola de boliche. Si algo pasa cerca, como una canica rodante, la trayectoria se desvía o se dobla.

Esta desviación también funciona con la luz. Si miramos hacia un objeto masivo, la luz que viene desde atrás puede enfocarse o extenderse. De esta forma, las galaxias, que pesan miles de millones de veces nuestro Sol, distorsionan el universo de fondo.

Los ejemplos más obvios de lentes gravitacionales son cuando la luz de un quásar se divide en múltiples imágenes o cuando la forma de una galaxia se estira. Estos casos se consideran lentes fuertes.

"La lente fuerte es muy impresionante, está claro que algo está sucediendo", dijo Ryan Scranton de la Universidad de Pittsburgh.

Pero Scranton, junto con Menard y otros, han examinado la encuesta de Sloan en busca de una distorsión mucho más sutil llamada lente débil.

"Las lentes débiles no son tan dramáticas, pero las ves donde mires", dijo Scranton. Space.com. "En última instancia, es más importante para hacer cosmología".

No es posible mirar un objeto y decir que se está produciendo una lente débil. Tiene que hacerse estadísticamente en una gran muestra de objetos.

La lente débil de las galaxias por galaxias, llamada cizalladura cósmica, se detectó hace cinco años. Los hallazgos recientes son para la ampliación cósmica, o la lente débil de los cuásares por parte de las galaxias. Esto ha sido más difícil de detectar, en parte porque no había una gran muestra uniforme de cuásares hasta que salió la encuesta Sloan.

Durante más de seis años, el estudio Sloan ha mapeado metódicamente grandes extensiones del cosmos, identificando estrellas, galaxias y cuásares.

Un quásar es un tipo de galaxia algo raro, que se vuelve extremadamente brillante cuando el gas caliente cae sobre un enorme agujero negro central. Los quásares a menudo se identifican por sus emisiones de radio o rayos X, pero Scranton y sus colegas utilizaron un nuevo método para seleccionarlos en luz visible utilizando los cinco filtros separados de Sloan.

"La clave es que estamos aprovechando al máximo la información que está ahí", dijo Scranton. "Aumentamos el número de cuásares en un factor de cuatro o cinco".

En un mapa que representa el 10 por ciento del cielo, los investigadores midieron un cambio, debido a lentes débiles, en el número de cuásares de fondo alrededor de las galaxias en primer plano. Los quásares están a unos 10 mil millones de años luz de distancia, mientras que las galaxias están a unos 2 mil millones de años luz de distancia.

Esta detección se dificulta por el hecho de que las lentes débiles provocan dos efectos (aumento y desplazamiento) que tienden a anularse entre sí.

Cuando una galaxia se encuentra cerca de la línea de visión de los cuásares distantes, suceden dos cosas (ver la figura adjunta). Los quásares se amplían para lucir más brillantes y sus posiciones aparentes en el cielo se modifican.

La ampliación permite a los astrónomos ver quásares que no habrían podido ver de otra manera. En general, esto aumenta el número de quásares visibles alrededor de una galaxia en primer plano.

Sin embargo, el cambio tiene la consecuencia opuesta. Mueve la posición aparente de los objetos lejos de la lente, disminuyendo el número de quásares alrededor de una galaxia en primer plano.

"Los dos efectos compiten", dijo Frieman. "Uno gana parte del tiempo, el otro gana el resto del tiempo".

El cambio neto en el número de cuásares es inferior al uno por ciento. Con el gran conjunto de datos de Sloan, el equipo de investigación observó un exceso de quásares brillantes, pero un déficit de cuásares débiles, en las inmediaciones de las lentes de las galaxias. Esto coincide con las predicciones.

"Nadie antes podía informar tanto el exceso como el déficit", dijo Menard. "Aparte de las lentes gravitacionales, es difícil lograr que sucedan ambas cosas".

Esta investigación se describe en un artículo aceptado para su publicación en El diario astrofísico.


Ep. 37: Lente gravitacional

Los astrónomos siempre intentan tener en sus manos telescopios más grandes y potentes. Pero los telescopios más poderosos del Universo son completamente naturales y tienen el tamaño de un cúmulo de galaxias. Cuando usa la gravedad de una galaxia como lente, puede mirar directamente a los bordes del Universo observable.

Mostrar notas

Episodios de espalda relevantes
Nuestro archivo está lleno de información de antecedentes. ¡No olvides ver estos programas del pasado!

    La búsqueda de materia oscura en todo el espectro electromagnético Lo que aprendimos de la Sociedad Astronómica Estadounidense La historia de la evolución de las galaxias Las estructuras más grandes del universo

Lente gravitacional

    & # 8211 NASA & # 8217s Imagine the Universe & # 8211 descripciones detalladas de UBC & # 8211 buenas descripciones con algunas matemáticas de Caltech

Telescopios y proyectos

    Experimento óptico de lentes gravitacionales (este es el espejo de EE. UU., Consulte la página de Varsovia aquí) concepto de telescopio óptico y # 8211 con el nombre de los objetos que estudia, Objetos de halo compacto masivo (espejo australiano aquí) y # 8211 The Cosmological Evolution Survey

Comunicados de prensa

Articulos cientificos

Extras: subprogramas interactivos, programas, bases de datos

    & # 8211 visualizando lentes gravitacionales (Francisco Frutos Alfaro) (Mark Boughen) CfA-Arizona Space Telescope LEns Survey de lentes gravitacionales (base de datos de lentes gravitacionales)

Transcripción: Lente gravitacional

Fraser Caín: Este es un tema tan interesante: aquí vamos. Los astrónomos siempre han buscado telescopios más grandes y poderosos, pero los telescopios más poderosos del Universo son completamente naturales, convirtiendo la masa de una galaxia entera en una lente a través de la cual los astrónomos pueden mirar. Estamos hablando de lentes gravitacionales, que permiten a los astrónomos mirar hacia atrás en los primeros momentos del Universo.

Pamela, ¿qué es una lente gravitacional?

Dra. Pamela Gay: Básicamente, es de esta manera realmente ordenada que la gravedad de un objeto (una estrella, galaxia o cúmulo de galaxias) puede funcionar como una lente óptica para desviar la luz. De esta manera, pueden desviar la luz que de otro modo se iría en otra dirección hacia la Tierra y aumentar la cantidad total de luz de algún objeto distante que podamos ver.

Fraser: ¿Cuál es el principio subyacente de que la luz se dobla aquí?

Pamela: Hay & # 8217s gravedad! Es una de esas cosas que, cuando comienzas a darte cuenta de que la energía y la masa son dos caras de la moneda exacta, y que la luz es solo energía, y la gravedad puede hacer que la luz se desvíe, se mueva de la misma manera que lo hace. porque usted y yo nos movemos, es posible comenzar a usar la masa para enfocar la luz.

Fraser: Entonces, con una lente gravitacional, obtienes luz de algún objeto más distante que pasa una masa como una galaxia, y esa masa está deformando el espacio a su alrededor para que la luz siga una trayectoria diferente y se doble.

Pamela: Una buena forma de pensar en ello es, si imaginas que va: tu nariz, una galaxia muy, muy lejana, e incluso más atrás, un quásar, la luz de ese cuásar se va a ir en todas direcciones llenando una esfera. Algo de esa luz normalmente no solo pasaría por alto tu nariz y pasaría por encima de tu cabeza, sino que pasaría por alto tu nariz y golpearía una estrella en algún lugar sobre tu cabeza.

Esa luz que normalmente habría subido por encima de ti, al rozar la parte superior de esa galaxia entre tú y el quásar, puede doblarse de modo que su nuevo camino la lleve directamente a la punta de tu nariz.

Esto también tiene el efecto de que si las alineaciones son las correctas, podemos ver dos imágenes del mismo objeto exacto. Una es la vista recta y la otra se ve reflejada en un espejo, de la misma manera que puedes tomar y usar un espejo para mirar alrededor de una esquina.

Fraser: Veamos si entiendo esto: tienes una esfera de luz saliendo del quásar, y algo de esa luz pasará muy cerca de esta galaxia y lo que iría en línea recta se convertirá en una poco o gira a medida que se atrae hacia la galaxia y así nosotros aquí en la Tierra, que en el camino más lejano, vemos esta luz convergiendo hacia nosotros debido a esta deformación. Así que es por eso que vemos una versión ampliada de lo que hay detrás.

Pamela: De hecho, la gravedad puede causar muchos efectos diferentes. Puede distorsionar la luz de un objeto de fondo, aquí es donde se obtienen galaxias que aparecen como arcos extraños alrededor de los cúmulos de Abell. También puede obtener lo que & # 8217s llama un evento de microlente, que es donde un objeto de fondo parece ser mucho más brillante debido a una masa intermedia.

También puede obtener efectos nítidos como cuásares dobles, cuásares cuádruples, anillos de Einstein, donde la luz de un objeto de fondo se multiplica en múltiples imágenes o se tuerce en un anillo donde antes había un solo objeto con forma de punto.

Fraser: Usted dice que estas son cosas maravillosas para mirar, pero ¿no estaría un fabricante de telescopios tratando de eliminar los errores del espejo? ¿Si vieran este tipo de cosas?

Pamela: En un telescopio real, realmente no desea que su telescopio produzca imágenes divertidas de la casa. La realidad es que mirar las galaxias a través de lentes gravitacionales a veces es tan distorsionante como si miras a través del viejo vidrio deformado en casas extremadamente antiguas, o si te miras a ti mismo reflejado en un vidrio de carnaval. Pero, se nos permite ver cosas que no podemos ver de otra manera y, a veces, las cosas que estamos viendo son cosas invisibles, como cuando las lentes gravitacionales están hechas de materia oscura.

Fraser: Así que supongo que los astrónomos van a aprovechar lo que puedan. No tienen un telescopio tan poderoso, por lo que el hecho de que haya uno naturalmente por ahí que proporciona una imagen un poco distorsionada pero que le permite mirar mucho más atrás ... ¿cuánto más atrás pueden ver?

Pamela: La galaxia más distante que jamás se haya detectado se encontró utilizando un cúmulo de Abell para lente gravitacionalmente una galaxia de fondo.

Fraser: Así que este es un cúmulo de Abell, un cúmulo intermedio de galaxias donde pudo enfocar la luz de esta galaxia más distante.

Pamela: En este caso fue Abell 2218, y en 2004 pudieron obtener un corrimiento al rojo para medir la tasa de recesión de una mancha de luz que pudieron detectar porque se estaba magnificando, estaba siendo reflejada por la gravedad de este cúmulo gigante de galaxias.

Fraser: Entonces, teóricamente, ¿hasta dónde podrían los astrónomos impulsar esta técnica?

Pamela: Todo depende de lo buenos que seamos tomando un espectro de una mancha de luz. Si las alineaciones son correctas, tal vez pueda obtener múltiples cúmulos de galaxias que están enfocando gravitacionalmente un objeto varias veces que, con todas estas lentes combinadas, nos permiten mirar hacia atrás a los objetos (que actualmente no podemos & # 8217t ver usando telescopios existentes) que se formaron en el mismo borde del Universo en los momentos inmediatamente posteriores a la formación del Fondo Cósmico de Microondas. Aún no hemos encontrado esas cosas, pero el potencial está ahí, mientras miramos las manchas de luz.

Fraser: Supongo que con un telescopio más potente o con una alineación más afortunada del objeto del primer plano y el objeto del fondo, podríamos encontrar algunos de esos primeros objetos.

Pamela: También estamos encontrando objetos dentro de nuestra propia galaxia (que no podemos encontrar de otra manera) usando lentes gravitacionales. En realidad, había un planeta, tenía un nombre realmente terrible: OGLE 2005-BLG390 (que es la estrella madre). Tiene un planeta girando a su alrededor que encontramos porque la estrella y el planeta microlente gravitacionalmente un objeto de fondo y pudimos ver la masa tanto de la estrella como del planeta cuando la estrella de fondo tenía una lente.

Fraser: Así que aquí solo estamos hablando de una estrella, no de una galaxia. Se trataba de dos estrellas alineadas en nuestra Vía Láctea y estábamos en el lugar exacto para ver la alineación.

Pamela: Lo bueno en este caso es que cuando la estrella en primer plano pasa frente a un objeto de fondo, no podemos ver esa estrella. Esta era una pequeña enana roja, demasiado lejos para que pudiéramos ver con nuestros telescopios porque simplemente no emite mucha luz. Mientras orbitaba frente a un objeto de fondo, el objeto de fondo era algo lo suficientemente brillante como para poder verlo todos los días.

Ese objeto de fondo aumentó repentinamente en brillo en una distancia que no es característica de una nova o un evento de destello o cualquier otro brillo normal. Aumentaba su brillo de una manera perfectamente simétrica que indicaba que un objeto pasaba frente a él y luego se movía desde frente a él a una velocidad constante.

En el proceso de hacer esto, hubo una pequeña señal en el lado de ese aumento y disminución de brillo. Ese destello correspondió al planeta entrando en el acto de microlente de la luz de fondo. Pudimos encontrar lo que pensamos que era una roca o un planeta helado (uno de los planetas de masa más pequeños que se han descubierto), debido a este evento de microlente.

Fraser: Esta es una oportunidad única en la vida, para ver esta estrella y su planeta, porque necesitas esa alineación, así que a menos que se alinee con otra estrella que conozcamos, nunca la volveremos a ver.

Pamela: Este era un planeta de aproximadamente 13 masas terrestres del que tenemos una observación, y tenemos una observación de su estrella, ¡pero aún así es genial!

Fraser: Correcto, pero no hay posibilidad de realizar observaciones de seguimiento.

Pamela: No con las tecnologías actuales. Aquí es donde esperas los telescopios OWL y los otros telescopios increíblemente grandes que los astrónomos planean construir.

Fraser: Recuerdo que estaba bastante lejos, como a decenas de miles de años luz de distancia.

Pamela: Era una estrella en el borde de nuestra galaxia, pero es una nueva forma de obtener datos en lugares que de otro modo no podríamos observar.

Fraser: ¿Cuál es el proceso para esto? ¿Están los astrónomos mirando las estrellas para verlas brillar así?

Pamela: Hay dos proyectos diferentes: OGLE y MACHO. Estos dos programas miran regularmente ciertas áreas del cielo noche tras noche tras noche esperando eventos de microlente. Lo que hacen es tomar una foto tras otra de la misma región y, a medida que toman estas fotos, las restan de las imágenes de la noche anterior y las imágenes # 8217s y miran para ver qué es diferente.

En el proceso de encontrar estas diferencias, a veces están descubriendo estrellas variables como las Cefeidas y RR Lyraes que me gusta estudiar. A veces están encontrando novas, a veces están encontrando cosas como ecos de luz de supernovas que se mueven a través de estas regiones del espacio. Ciencia realmente genial.

Ellos también (desafortunadamente en eventos más bajos) están encontrando eventos de microlente. Están encontrando montones y montones de estrellas RR Lyrae, montones y montones de otras estrellas variables. De vez en cuando, fuera del ruido, encuentran estos eventos de microlentes que indican que hay un objeto oscuro (una enana blanca, una enana marrón o roja, una estrella de neutrones, algo que de otra manera no podemos ver) en las afueras de nuestra ciudad. galaxia, conectando ocasionalmente la luz de las lentes de quizás las estrellas de la Gran Nube Magelénica, quizás objetos de fondo. Son estos eventos de lentes los que nos permiten tener una idea de cuánta materia oscura en la galaxia está formada por cosas perfectamente normales que de otra manera no podríamos ver.

Toda la materia oscura de la galaxia podría contabilizarse si hubiera aproximadamente un ladrillo ACME por volumen de espacio del sistema solar. Si eso fuera cierto, no podríamos ver muy bien fuera de la galaxia. Es importante encontrar los ladrillos ACME reales que existen (que tienden a tener más forma de enanas marrones) y esta es una forma de hacerlo.

Fraser: Ahora, antes hablaste sobre cómo las lentes gravitacionales más grandes están ayudando a los astrónomos a mapear la distribución de la materia oscura. ¿Puedes entrar en eso con más detalle?

Pamela: En realidad, hubo un resultado de Hubble muy, muy bueno que acaba de salir. Si aún no lo ha leído, visite el sitio web de nuestro amigo el Bad Astronomer & # 8217. El Hubble básicamente encontró un anillo de humo de materia oscura alrededor de un cúmulo de galaxias, CL0024 + 1652.

Lo que hacen es mirar objetos de fondo. Asumen que en esta pequeña región del cielo, tengo 100 galaxias de fondo. Estas galaxias tendrán orientaciones aleatorias, formas aleatorias. Si hago un promedio de todas estas galaxias & # 8217 formas, deberían promediar a pequeños círculos perfectos en el cielo. Pero, si hay materia entre yo y esas galaxias de fondo, esa materia hará que todas se tuerzan un poco sistemáticamente, de la misma manera que si todas se reflejaran en el mismo espejo de la casa del carnaval.

Así que buscamos esos ligeros giros, esas ligeras elipticidades, las ligeras formas de lágrimas que surgen en las galaxias de fondo. Cuando encontramos estas irregularidades en su forma, las desviaciones de ser pequeños círculos diminutos, entonces sabemos que existe materia oscura y podemos mapear la distribución de la materia oscura mediante ingeniería inversa de lo que era necesario para que estas galaxias no promedien a un pequeño disco.

Fraser: Entonces, en este caso, no tenemos una galaxia frente a otra galaxia, tenemos esta materia oscura invisible que actúa como esta lente gravitacional, distorsionando la imagen de la galaxia de fondo.

Pamela: Lo que es realmente genial es que esta materia oscura está formando una rosquilla (aparentemente una de mis formas favoritas) alrededor del cúmulo de galaxias visibles. Este es el tipo de cosas que pueden suceder cuando hay una colisión entre dos sistemas. Chocas el sistema, uno pasa por el otro y terminas con un anillo de material. We’ve seen this in individual galaxies before and after collisions, but now we’re seeing it in an entire cluster and it’s not just the material of the cluster, it’s the dark matter itself that forms the donut. That’s just really cool. We’re not used to thinking of dark matter as actually forming structures,(at least not forming structures on this type of scale), and it’s a really neat, really hard to do discovery.

Every day we’re learning more about the distribution of dark matter. Back in January, after the AAS, we actually reported here on this show about the COSMOS project, and how they’d mapped out the large scale structure of the Universe to find that the structures of the luminous matter generally fell within the structures of dark matter, but didn’t necessarily have precisely the same centres.

Fraser: So I guess this was the same technique: they looked everywhere, looking for that distortion, and then carefully mapped it back to figure out where all the dark matter was.

Pamela: They mapped a fairly significant area on the sky, and they built a 3-D model of dark matter using gravitational lensing of galaxies at various distances away from us. Again, really hard to do, really good, solid science. We don’t know what dark matter is, but every day we’re getting a better and better map of where it is.

We can also use dark matter to sometimes get to repeat our ability to observe specific events. There are quasars out there that have been gravitationally lensed in such a way that when you’re looking at the sky, you see two identical objects that are separated by a few arc seconds to more than a few arc seconds on the sky. This means that you can go out, look directly at the quasar or you can look at the lensed version of the quasar.

The first one of these was actually given the name, Old Faithful (or scientifically, Q0957+561).

Fraser: I like “Old Faithful”

Pamela: Yeah, I like “Old Faithful” too.

We can’t name things well in astronomy. I admit to this fully.

Fraser: There’s too many objects.

Pamela: Yeah, yeah it’s kind of hopeless. But what’s cool about this object is you have two quasars that are far enough apart that any good telescope can clearly resolve them. The two light paths, the one to look directly at the quasar, and the one to look at the gravitationally lensed quasar (where the light has already started to head off somewhere else and then deviates and comes back to us), it’s a difference of over a year.

So if you catch the tail end of the quasar doing something cool (and quasars actually flicker and do neat things on short time-scales indicating stuff going on with the supermassive hole in the centre), if you only catch the tail end of an event, you just go back a year later and watch it occur in the lensed version of the quasar.

Pamela: You don’t get to repeat observations very often. This is like the only way you can get to get a second try at getting your data.

Fraser: It’s like a TiVo for the Universe

Pamela: Exactly, it just requires the mass to be in just the right place.

Fraser: That’s amazing. Are there any other places where gravitational lenses come into astronomy?

Pamela: The primary neat places for them are: looking at these quasars where you get multiple images mapping dark matter using them to zoom in on objects at high redshifts and using them to zoom in on little objects (well, not zoom in… using them to detect little tiny objects) in the outer part of the galaxy. These are the main directions, but then there’s also some nifty science that comes out of this just in terms of using theory to do funny things.

There was a scientist down the hallway from me at the University of Texas. Hugo, Hugo Martel. Great Canadian from Quebec. He figured out what distribution of matter would be required to create a lensed image that looked like a smiley face. It’s just a great abuse of science, but that’s the neat thing: you can take a perfectly normal quasar, with a perfectly normal, nice, happy, “I’m a disk” light and twist its light with intervening matter in ways that you can create arcs, in ways you can create smiley faces and all sorts of other neat patterns.

In the process of figuring out what distribution of mass is necessary to make a smiley face, he was able to also figure out what is needed to reverse engineer the distribution of mass between here and there so that when we do find these things that look like waves on the ocean, when we find these things that look like a three-year-old’s version of drawing a seagull, we know what mass is required to get to that observed image.

Fraser: I guess that was my question, as you said earlier on, when astronomers look through telescopes they see these distortions, these fun house mirror images, which in some cases is great because you get a chance to see something and not nothing, but are there techniques to try and reverse engineer the light to try and get a better sense of what the object is? Could there be a day either now or in the future when astronomers can use these lenses and actually rebuild a spiral galaxy image as opposed to a smear around the outside of a galaxy?

Pamela: We’re already there, at a certain level. Just as we had to figure out how to build a corrector for the Hubble Space Telescope based on the observed distortions in the early images, we have also figured out how to mathematically figure out how to get back at the original shape of these distorted galaxies.

What they do is say, “we have these 100+ galaxies that should average out to a nice polite circle on the sky. They don’t.” and then they do the trials. They do the simulations, to figure out where do I need to stick mass in the volume of space between me and these galaxies, to get the perhaps teardrop shape. Once you’ve figured that out, you can reverse engineer the path of the light to get at the original shape. It’s really cool to look at some of these simulations.

With the COSMOS team, they can actually trace the pathway for a beam of light that gets lensed multiple times as it passes from high redshift galaxies to the modern epic. You can see it get bent over and over as it zigs and zags, getting bent by multiple intervening blobs of mass. It’s a maze out there, and the light is forced to run this gauntlet of material because gravity bends light.

Fraser: Now does this technique work across the entire spectrum, does it work from radio waves all the way to gamma rays?

Pamela: Gravity bends everything. There are people, in fact, out there looking to see how gravitational lensing affects our views of the Cosmic Microwave Background. So we’re looking at this in microwaves, we’re looking at this in optical light and infra red light. We’re looking across all the spectrum, trying to understand what is it that we can use this really great artifact of mass and energy being the same thing, to figure out about our Universe.

Fraser: Now there’s one piece of terminology I wanted to talk about. I’ve done a couple stories on this, which are called Einstein rings.

Fraser: I know they have to do with gravitational lenses. Can you explain what those are?

Pamela: This is the neat situation where you get a perfect alignment between us and a distant galaxy or let’s use a quasar (because quasars are neat little point sources).

Fraser: And quasars are the actively feeding supermassive black holes at the hearts of galaxies, right?

Fraser: pouring out tonnes of energy.

Pamela: So you basically have the very centre part of a galaxy pouring out gobs and gobs of light such that an active galaxy that is billions of light years away – so far away that the disc of the galaxy is extremely hard to observe with the largest telescopes – the very centre, the active part, is just the brightness of a normal, faint star. They’re really powerful, fascinating things.

Now, if you take one of these (and they exist in the largest numbers in the early parts of the Universe, when there was just more stuff for central supermassive black holes to be eating). If you look at one of these in the distant Universe and plot a concentration of mass exactly on the line of sight between us and them (so it’s a perfect, straight line: our telescope, the lensing object, the background quasar). The lensing object is going to block the light that’s trying to get straight at us from what’s being lensed, but the light that’s trying to go above, below, left, right, diagonals… the light that’s trying to go in a perfect ring off in other directions away from us, all that light is going to get bent toward us. If it doesn’t make it all the way into focus, if it doesn’t make it all the way down to a single point before it reaches us, we’ll see that light that’s getting bent as a ring.

Fraser: Is this a temporary situation, will this Einstein ring last for years or could we be anywhere inside the Milky Way and still see it?

Pamela: This type of gravitational lens, made up of quasars at large redshifts and galaxy clusters (or other large-mass objects) at moderate redshift distances, here… human life-scales, not seeing any motion going on. But on cosmic timescales, everything in the Universe is in motion, everything changes, some day those particular Einsteinian rings are going to lose their alignment, but other ones will step forward to take their place.

Fraser: And being an astronomer focussed on this is all about being at the right place at the right time.

Pamela: Well, the whole concept that we’re never really at the exact right place at the right time… this type of thing is always out there, we’re just at the right time for this one particular Einstein ring.

Fraser: Derecha. Great, I think that covers the concept. I think, astronomers who need to go bigger are just going to have to go out and find themselves a galaxy cluster to look through.
[laughter]

Pamela: Sounds like a plan.

Esta transcripción no coincide exactamente con el archivo de audio. Ha sido editado para mayor claridad.


Gravitational Lensing

We all know what is GRAVITY, but what about gravitational lensing? Is it something related to gravitation? Why is it so much important in Astronomy? How gravitational lensing is observed and what are all can be done with this? Have some patience people this is what we are going to discuss in this section.

The idea of gravitational lensing was first mentioned by our famous scientist Einstein in an unpublished paper in 1912. But the official people with published papers are Orest Khvolsen in 1924 and Frantisek Link in 1936. Still, most of the things are discussed by Einstein with the published paper in 1936. The basic concept of bending of light was mentioned by him in his General Theory of Relativity. Fritz Zwicky said that Gravitational lensing can be done high mass large-scale structures in the Universe. In 1916, Einstein published his General Theory of Relativity with full mathematical calculations. According to General relativity, masses deflect light in a way similar to convex lenses. It gives rise to image distortions.

Then comes Arthur Stanley Eddington, who plans to prove Einstein’s theory of bending of light through the solar eclipse that happened on 29th May 1919. The expeditions aimed to measure the gravitational deflection of starlight passing near the sun. He did his measurements from the West African island Principe and the other place is the Brazilian town of Sobral. Then he published his results in the Royal Society of London which proved the bending of light is possible if a massive object is placed in front of its path. This proved facts brought name and fame for Einsteins General Theory of Relativity.

Well, in some senses we can say that Gravitational lensing is happening because of gravity. The more the gravity or mass in an object (assume galaxy clusters) the more is the gravitational lensing. As Fritz mentioned this effect was proved in 1979 by observing “The Twin Quasar” (SBS0957+561). This paved the way for observational astronomy. Due to gravitational lensing, the light from the distant source gets diverted and looks like the light source is coming from different places, this kind of form a ring called Einstein ring. It is nothing but the “Halo effect” of gravitation when the source, lens, and observer are in near-perfect alignment.

Do you believe me if I say that it is because of gravitational lensing we can observe the universe that is a few billion light-years away from us? Well, you have to. The high mass clusters, distant big galaxies and few other heavily mass objects in the space bends light, as mentioned by Einstein, and act as a lens so that we can observe these distant galaxies and planets. In a sense, you can say this as a natural lens but at a bigger size than our Milkyway. Without gravitational lensing it is impossible to observe and study about these distant galaxies.

Lensing is of three types:

  1. Strong lensing: This happens when we happened to notice strong distortions in the lensing such as multiple images, arcs, and Einstein rings. Galaxy clusters form this type of lensing. Strong lensing is observed in radio and x-ray regimes.
  2. Weak lensing: This happens when we notice distortions in the background images are smaller and can only be detected by analyzing different kinds of sources to find coherent distortions. This shows us the stretched background image perpendicular to the direction to the center of the lens. This may also provide an important constraint on dark energy in the future.
  3. Microlensing: When we observe no distortions in shape and the amount of light received from a background object changes with time. The lensing objects can be stars in the Milkyway and even some distant quasars.

We all know that our universe has many wonders in its sleeves. Observing gravitational lensing is the first step towards exploring its other wonders. Gravitational lensing helped us in many ways such as observing distant galaxies, clusters, and study about them.

Scientists from all around the world are trying to unlock most of the mysteries in the Universe. To understand more about Gravitational lensing check out the book of Einstein’s telescope by Evalyn Gates which I have reviewed before in one of my posts.


Gravitation Lensing Imagery of the Brightest Infrared Galaxies

Boosted by natural magnifying lenses in space, NASA's Hubble Space Telescope has captured unique close-up views of the universe's brightest infrared galaxies, which are as much as 10,000 times more luminous than our Milky Way.

The galaxy images, magnified through a phenomenon called gravitational lensing, reveal a tangled web of misshapen objects punctuated by exotic patterns such as rings and arcs. The odd shapes are due largely to the foreground lensing galaxies' powerful gravity distorting the images of the background galaxies. The unusual forms also may have been produced by spectacular collisions between distant, massive galaxies in a sort of cosmic demolition derby.

"We have hit the jackpot of gravitational lenses," said lead researcher James Lowenthal of Smith College in Northampton, Massachusetts. "These ultra-luminous, massive, starburst galaxies are very rare. Gravitational lensing magnifies them so that you can see small details that otherwise are unimaginable. We can see features as small as about 100 light-years or less across. We want to understand what's powering these monsters, and gravitational lensing allows us to study them in greater detail."

The galaxies are ablaze with runaway star formation, pumping out more than 10,000 new stars a year. This unusually rapid star birth is occurring at the peak of the universe's star-making boom more than 8 billion years ago. The star-birth frenzy creates lots of dust, which enshrouds the galaxies, making them too faint to detect in visible light. But they glow fiercely in infrared light, shining with the brilliance of 10 trillion to 100 trillion suns.

Gravitational lenses occur when the intense gravity of a massive galaxy or cluster of galaxies magnifies the light of fainter, more distant background sources. Previous observations of the galaxies, discovered in far-infrared light by ground- and space-based observatories, had hinted of gravitational lensing. But Hubble's keen vision confirmed the researchers' suspicion.

Lowenthal is presenting his results at 3:15 p.m. (EDT), June 6, at the American Astronomical Society meeting in Austin, Texas.

According to the research team, only a few dozen of these bright infrared galaxies exist in the universe, scattered across the sky. They reside in unusually dense regions of space that somehow triggered rapid star formation in the early universe.

The galaxies may hold clues to how galaxies formed billions of years ago. "There are so many unknowns about star and galaxy formation," Lowenthal explained. "We need to understand the extreme cases, such as these galaxies, as well as the average cases, like our Milky Way, in order to have a complete story about how galaxy and star formation happen."

In studying these strange galaxies, astronomers first must detangle the foreground lensing galaxies from the background ultra-bright galaxies. Seeing this effect is like looking at objects at the bottom of a swimming pool. The water distorts your view, just as the lensing galaxies' gravity stretches the shapes of the distant galaxies. "We need to understand the nature and scale of those lensing effects to interpret properly what we're seeing in the distant, early universe," Lowenthal said. "This applies not only to these brightest infrared galaxies, but probably to most or maybe even all distant galaxies."

Lowenthal's team is halfway through its Hubble survey of 22 galaxies. An international team of astronomers first discovered the galaxies in far-infrared light using survey data from the European Space Agency's (ESA) Planck space observatory, and some clever sleuthing. The team then compared those sources to galaxies found in ESA's Herschel Space Observatory's catalog of far-infrared objects and to ground-based radio data taken by the Very Large Array in New Mexico. The researchers next used the Large Millimeter Telescope (LMT) in Mexico to measure their exact distances from Earth. The LMT's far-infrared images also revealed multiple objects, hinting that the galaxies were being gravitationally lensed.

These bright objects existed between 8 billion and 11.5 billion years ago, when the universe was making stars more vigorously than it is today. The galaxies' star-birth production is 5,000 to 10,000 times higher than that of our Milky Way. However, the ultra-bright galaxies are pumping out stars using only the same amount of gas contained in the Milky Way.

So, the nagging question is, what is powering the prodigious star birth? "We've known for two decades that some of the most luminous galaxies in the universe are very dusty and massive, and they're undergoing bursts of star formation," Lowenthal said. "But they've been very hard to study because the dust makes them practically impossible to observe in visible light. They're also very rare: they don't appear in any of Hubble's deep-field surveys. They are in random parts of the sky that nobody's looked at before in detail. That's why finding that they are gravitationally lensed is so important."

These galaxies may be the brighter, more distant cousins of the ultra-luminous infrared galaxies (ULIRGS), hefty, dust-cocooned, starburst galaxies, seen in the nearby universe. The ULIRGS' star-making output is stoked by the merger of two spiral galaxies, which is one possibility for the stellar baby boom in their more-distant relatives. However, Lowenthal said that computer simulations of the birth and growth of galaxies show that major mergers occur at a later epoch than the one in which these galaxies are seen.

Another idea for the star-making surge is that lots of gas, the material that makes stars, is flooding into the faraway galaxies. "The early universe was denser, so maybe gas is raining down on the galaxies, or they are fed by some sort of channel or conduit, which we have not figured out yet," Lowenthal said. "This is what theoreticians struggle with: How do you get all the gas into a galaxy fast enough to make it happen?"

The research team plans to use Hubble and the Gemini Observatory in Hawaii to try to distinguish between the foreground and background galaxies so they can begin to analyze the details of the brilliant monster galaxies.

Future telescopes, such as NASA's James Webb Space Telescope, an infrared observatory scheduled to launch in 2018, will measure the speed of the galaxies' stars so that astronomers can calculate the mass of these ultra-luminous objects.

"The sky is covered with all kinds of galaxies, including those that shine in far-infrared light," Lowenthal said. "What we're seeing here is the tip of the iceberg: the very brightest of all."


Astronomers Use Gravitational Lensing Effect to Detect Intermediate-Mass Black Hole

An artist’s impression of an intermediate-mass black hole. Image credit: Sci-News.com.

Astronomers know that stellar-mass black holes — compact ranging from about 10 times to 100 times the Sun’s mass — are the remnants of dying stars, and that supermassive black holes — those with masses over 100,000 times the mass of the Sun — inhabit the centers of most galaxies.

But scattered across the Universe are a few apparent black holes of a more mysterious type.

Ranging from 100 to 100,000 solar masses, these intermediate-mass black holes have long been posited to reside in the cores of globular clusters. Yet direct observational signatures of their existence are elusive.

“The newly-discovered black hole could be an ancient relic — a primordial black hole — created in the early Universe before the first stars and galaxies formed,” said Professor Eric Thrane, an astronomer in the School of Physics at Monash University and the ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

“These early black holes may be the seeds of the supermassive black holes that live in the hearts of galaxies today.”

“The discovery sheds new light on how supermassive black holes form,” said James Paynter, a Ph.D. student in the School of Physics at the University of Melbourne.

“While we know that these supermassive black holes lurk in the cores of most, if not all galaxies, we don’t understand how these behemoths are able to grow so large within the age of the Universe.”

The new intermediate-mass black hole was detected thanks to GRB 950830, a gravitationally lensed short burst of gamma-rays.

The gamma-ray burst, emitted by a pair of merging stars, was observed to have a tell-tale ‘echo.’

This echo was caused by the intervening intermediate-mass black hole, which bent the path of the light on its way to Earth, so that astronomers see the same flash twice.

Powerful software developed to detect black holes from gravitational waves was adapted to establish that the two flashes are images of the same object.

“Our findings have the potential to help scientists make even greater strides,” said Professor Rachel Webster, also from the School of Physics at the University of Melbourne.

“Using this new black hole candidate, we can estimate the total number of these objects in the Universe.”

“We predicted that this might be possible 30 years ago, and it is exciting to have discovered a strong example.”

The findings appear in the journal Astronomía de la naturaleza.

J. Paynter et al. Evidence for an intermediate-mass black hole from a gravitationally lensed gamma-ray burst. Nat Astron, published online March 29, 2021 doi: 10.1038/s41550-021-01307-1


Gravitational Lensing in the Canary Islands

The 10.4m Gran Telescopio Canarias (GTC) on La Palma--the largest optical telescope in the world!

Every November the Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) hosts a winter school on a particular astronomical topic in Tenerife, Spain, part of the Canary Islands. I attended this year’s school and got a two week crash course on “The Astrophysical Applications of Gravitational Lensing” from experts in the field while hanging out on a volcanic island with about 50 postdocs and graduate students from all over the world. In addition to daily lectures, the IAC organized two days of excursions to the local observatories–one on Tenerife and the other on a neighboring island, La Palma, home of the Gran Telescopio Canarias. The lectures helped me better understand my own research and opened my eyes to the many uses of gravitational lensing, some of which I didn’t even know existed before the school! Here I’ll outline a few of the ways astronomers use gravitational lensing to study the Universe.

The basics of gravitational lensing

A horseshoe-shaped image behind a single red galaxy. Photo credit ESA/Hubble and NASA.

First off, what exactly es lensing? Einstein’s theory of general relativity naturally predicts gravitational lensing. In general relativity, mass curves spacetime, which means that massive objects will deflect all things that pass by them–including light rays. This means they can focus those rays similarly to a piece of glass. The distortion of spacetime allows a single beam of light from a distant source to reach us from multiple directions thus, background images will be stretched out or split into multiple images if they lie behind a massive object. To visualize the effect, picture looking at a marble through the bottom of a wine glass, as shown in this video (original link here). When the marble (the background object) nears the center of the glass (the lens), the image is stretched all the way around the stem, forming a ring. We see strikingly similar “Einstein rings” in nature: background galaxies which are stretched into giant arcs encircling foreground galaxy clusters.

Neat, right? But why use lensing for astronomy? Recall that the pie chart of mass-energy in the Universe shows 23% dark matter, 72% dark energy, and a mere 5% baryonic (normal) matter. So far only the baryonic matter has been confirmed to emit light detectable by our telescopes (although dark matter may emit gamma rays). Gravitational lensing can probe both dark matter, which only interacts via gravity, and dark energy, which is making the Universe expand at an accelerating rate. What’s more, lensing acts on a remarkable range of scales from extrasolar planets that magnify stars in our own galaxy to galaxy clusters that magnify the most distant quasars. It would be impossible to tell you about todas of the applications of lensing in a single post, so I’ll just sample a few of them below.

Finding exoplanets

Closest to home we can use gravitational lensing to search for extrasolar planets. One star can lens another star as the foreground star passes in front of the background star, it will briefly split the background star’s image into several tiny images that will blur together into a single, brighter image. When this happens we say the background star is microlensed. If the foreground star has a planet it will make its own contribution to the microlensing event, detectable as a single sharp spike in the brightness of the background star as the planet passes closest to the star’s line of sight. In contrast to other exoplanet detection methods which preferentially find exoplanets that live close to their host stars, microlensing is sensitive to planets near the frost line, where Jupiter-like planets form, and to free-floating exoplanets, or exoplanets that have been kicked out of their home stellar system. The microlensing events are bright enough to see with a small telescope, but before you run out to your backyard I should caution that they are also extremely rare. Even after monitoring many, many stars for several years, microlensing surveys like OGLE have only found about a dozen exoplanets this way.

The Bullet Cluster: the poster child for dark matter. Red shows the hot, x-ray emitting gas blue shows the mass distribution from weak lensing. (Image credit: NASA/CXC/CfA/STScI)

Weighing the lens: galaxies and galaxy clusters

Farther away, we can model the masses of galaxies and galaxy clusters that lens background galaxies. This is the domain of macrolensing, lensing that remains constant in time and acts on scales large enough to be resolvable with current telescopes. Strong lensing occurs when a background and foreground galaxy lie close to the same line of sight, causing the background galaxy to appear hugely elongated and split into multiple images. Strong lensing puts excellent constraints on the masses of the foreground lensing galaxies – which are, like all galaxies, mostly dark matter. In special cases irregularities in an image can reveal dark matter substructure or a satellite galaxy: if the lens contains dense clumps, part of a lensed image may be more or less magnified than expected. Weak lensing, by contrast, occurs for background galaxies that lie farther from the line of sight of the lens instead of a dramatic effect, many small distant galaxies are slightly distorted. This technique can yield the total masses of galaxy clusters. Note that for weak lensing, we must average over many background galaxies since individual galaxies come with their own intrinsic shapes. Weak lensing can map out the distribution of mass inside a galaxy cluster, and the weak lensing maps of individual clusters like the Bullet Cluster provide the best evidence for dark matter to date: when two clusters collide, the majority of the baryonic matter–the hot gas–feels the impact, while the rest of the material–dark matter and individual galaxies–travels straight through. This results in the baryonic and dark matter being temporarily separated in space, and we can use weak lensing to show that the majority of the mass in the cluster is not in the same place as the baryonic matter. Astronomers also use the results of weak lensing surveys to compare the distribution of cluster masses to cosmological simulations in order to test our theories of structure formation.

Four images of a quasar surround a lens galaxy. (Image credit: NASA/ESA)

A look at the sources: galaxies and quasars

In addition to analyzing the lens itself, we can study the objects behind the lens. Just as a telescope lets us study a star too dim for the naked eye to see, lensing galaxies and galaxy clusters act as giant telescopes that can magnify background galaxies by tens to hundreds of times their original brightness, providing a window into the early Universe. (This is my research!) Multiply-imaged quasars are also rewarding to study, if a bit more complicated. A quasar is the central engine of an active galaxy, an incredibly bright source of energy powered by accretion of material onto a supermassive black hole. This means that, although it is very powerful, a quasar has a very small physical size compared to its host galaxy. The behavior of a microlensing event depends on the size of the background source: the larger the physical extent of the source, the more the signal of a microlensing event is smeared out in time, as the foreground lens passes across the object and magnifies pieces of it bit-by-bit, instead of all at once as it would a point source. A quasar behind a single galaxy will not only be strongly macrolensed by the lens galaxy as a whole, but since the quasar has a small angular size, the individual images will also be microlensed by stars within the lens galaxy as it slowly drifts in and out of alignment with them. Thus, when astronomers model the changes in brightness due to microlensing stars within the lens, they can deduce the size of the lensed quasar accretion disk: a bigger disk will show a smaller microlensing signal. Trying to measure this size without lensing would be like trying to resolve individual grains of regolith on the Moon: basically impossible with current technology.

A snapshot of the "cosmic web," the large-scale structure of filaments and voids that fills the Universe, from the Millennium Simulation (Springel et al. 2005).

Dark energy from cosmic shear

As light rays travel through the Universe they will be deflected by any mass they encounter along the way. The weak lensing distortions felt by the images of galaxies as they travel through the large-scale structure of the Universe is known as cosmic shear. We can quantify the distribution of mass in the universe by mapping out cosmic shear and counting up the strength of density fluctuations of different sizes. This is analogous to the study of the cosmic microwave background, except that the cosmic microwave background shows us the initial density fluctuations at recombination (soon after the Big Bang), while cosmic shear shows us how the original fluctuations developed up through the present day. Cosmic shear is thought to be the most promising way to measure dark energy and get a handle on how quickly the expansion of the Universe is accelerating.

Phew! I hope I’ve convinced you that gravitational lensing can do quite a lot. Watch out for more astrobites on these and other applications of gravitational lensing as we go forward into the bright, lensed future.


Respuestas y respuestas

If gravitational waves weren't affected by static gravitational fields then you'd be able to tell the difference between "being stationary in a gravitational field" and "accelerating in a rocket in the absence of gravity". That would violate the equivalence principle, which is a founding principle of GR (at least, when formalised somewhat), so it'd be self-contradictory.

To explain - imagine that I'm in a box and feel proper acceleration. I place a source of electromagnetic waves on the floor and a detector on the ceiling. The waves are redshifted when detected. If I'm sitting on a planet, this is due to gravitational redshift. If I'm in a rocket in free space, this is because the waves take time to reach the ceiling and in that time the ceiling has accelerated a little and the waves are redshifted from velocity related Doppler. And if you follow through the maths you find that the amount of redshift is exactly the same, given equal "acceleration due to gravity" in the two situations. Thus I can't use this experiment to break the equivalence principle.

Now replace the EM source and sensor with a gravitational wave source and sensor (I'll leave the implementation details as an exercise for the reader, but this is possible in principle). In the rocket case the waves will be Doppler shifted for the exact same reason as the EM waves - the ceiling has accelerated by the time they are received. So in the sitting-on-a-planet case either the gravitational waves are gravitationally redshifted or I can tell the difference between the two situations in a closed-box experiment and GR is inconsistent. Also, if they aren't redshifted, I could get free energy by shining light down, gaining energy as it falls, and using that energy to power my gravitational wave source, which emits waves that don't lose energy as they climb back up, and using that energy to power my light source and skimming the extra.

Edit: if you find a gravitational wave source in a small box far-fetched, imagine a cosmological source that just happens to emit waves that pass through my box in an upwards direction, and have floor and ceiling mounted detectors.

If gravitational waves weren't affected by static gravitational fields then you'd be able to tell the difference between "being stationary in a gravitational field" and "accelerating in a rocket in the absence of gravity". That would violate the equivalence principle, which is a founding principle of GR (at least, when formalised somewhat), so it'd be self-contradictory.

To explain - imagine that I'm in a box and feel proper acceleration. I place a source of electromagnetic waves on the floor and a detector on the ceiling. The waves are redshifted when detected. If I'm sitting on a planet, this is due to gravitational redshift. If I'm in a rocket in free space, this is because the waves take time to reach the ceiling and in that time the ceiling has accelerated a little and the waves are redshifted from velocity related Doppler. And if you follow through the maths you find that the amount of redshift is exactly the same, given equal "acceleration due to gravity" in the two situations. Thus I can't use this experiment to break the equivalence principle.

Now replace the EM source and sensor with a gravitational wave source and sensor (I'll leave the implementation details as an exercise for the reader, but this is possible in principle). In the rocket case the waves will be Doppler shifted for the exact same reason as the EM waves - the ceiling has accelerated by the time they are received. So in the sitting-on-a-planet case either the gravitational waves are gravitationally redshifted or I can tell the difference between the two situations in a closed-box experiment and GR is inconsistent. Also, if they aren't redshifted, I could get free energy by shining light down, gaining energy as it falls, and using that energy to power my gravitational wave source, which emits waves that don't lose energy as they climb back up, and using that energy to power my light source and skimming the extra.

Edit: if you find a gravitational wave source in a small box far-fetched, imagine a cosmological source that just happens to emit waves that pass through my box in an upwards direction, and have floor and ceiling mounted detectors.

Oh, I hadn't noticed that you decided to try me with a more in-depth explanation after all. That actually makes perfect sense. Gracias. Not so farfetched after all then. The null-path following I can wrap my head around.


Acknowledgements

It is a pleasure to thank Wes Colley, Frederic Courbin, Emilio Falco, Henk Hoekstra, Neal Jackson, Tomislav Kundić, Geraint Lewis, and Andrzej Udalski for permission to use their figures. I would also like to thank Matthias Bartelmann, Emilio Falco, Jean-Paul Kneib, Bohdan Paczyński, Sjur Refsdal, Robert Schmidt, Liliya Williams, and David Woods for their careful reading of (parts of) the manuscript at various stages and their useful comments. Of particular help were the comments of Jürgen Ehlers and an unknown referee which improved the paper considerably.


What is Gravitational Lensing?

Gravity’s a funny thing. Not only does it tug away at you, me, planets, moons and stars, but it can even bend light itself. And once you’re bending light, well, you’ve got yourself a telescope.

Everyone here is familiar with the practical applications of gravity. If not just from exposure to Loony Tunes, with an abundance of scenes with an anthropomorphized coyote being hurled at the ground from gravitational acceleration, giant rocks plummeting to a spot inevitably marked with an X, previously occupied by a member of the “accelerati incredibilus” family and soon to be a big squish mark containing the bodily remains of the previously mentioned Wile E. Coyote.

Despite having a very limited understanding of it, Gravity is a pretty amazing force, not just for decimating a infinitely resurrecting coyote, but for keeping our feet on the ground and our planet in just the right spot around our Sun. The force due to gravity has got a whole bag of tricks, and reaches across Universal distances. But one of its best tricks is how it acts like a lens, magnifying distant objects for astronomy.

Thanks to the general theory of relativity, we know that mass curves the space around it. The theory also predicted gravitational lensing, a side effect of light travelling along the curvature of space and time where light passing nearby a massive object is deflected slightly toward the mass.

This illustration shows how gravitational lensing works. The gravity of a large galaxy cluster is so strong, it bends, brightens and distorts the light of distant galaxies behind it. The scale has been greatly exaggerated in reality, the distant galaxy is much further away and much smaller. Credit: NASA, ESA, L. Calcada

It was first observed by Arthur Eddington and Frank Watson Dyson in 1919 during a solar eclipse. The stars close to the Sun appeared slightly out of position, showing that the light from the stars was bent, and demonstrated the effect predicted. This means the light from a distant object, such as a quasar, could be deflected around a closer object such as a galaxy. This can focus the quasar’s light in our direction, making it appear brighter and larger. So gravitational lensing acts as a kind of magnifying glass for distant objects making them easier to observe.

We can use the effect to peer deeper into the Universe than would otherwise be possible with our conventional telescopes. In fact, the most distant galaxies ever observed, ones seen just a few hundred million years after the Big Bang, were all discovered using gravitational lensing.

Astronomers use gravitational microlensing to detect planets around other stars. The foreground star acts as a lens for a background star. As the star brightens up, you can detect further distortions which indicate there are planets. Even amateur telescopes are sensitive enough to spot them, and amateurs regularly help discover new planets. Unfortunately, these are one time events as this alignment happens only once.

Hubble image of SDSSJ0146-0929, a galaxy cluster that is massive enough to severely distort the spacetime around it, creating the odd, looping curves that almost encircle the cluster – known as an “Einstein Ring.” Credit: ESA/Hubble & NASA Acknowledgment: Judy Schmidt

There’s a special situation known as an Einstein Ring, where a more distant galaxy is warped by a nearby galaxy into a complete circle. To date a few partial rings have been seen, but no perfect Einstein Ring has ever been spotted.

Gravitational lensing also allows us to observe invisible things in our Universe. Dark matter doesn’t emit or absorb light on its own, so we can’t observe it directly. We can’t take a photo and say “Hey look, dark matter!”. However, it does have mass, and that means it can gravitationally lens light originating behind it. So we’ve even used the effect of gravitational lensing to map out dark matter in the Universe.

What about you? Where should we focus our gravitational lensing efforts to get a better look in the Universe? Tell us in the comments below.