Gravitationslinsen- Licht auf krummen Wegen

Werbung
Gravitationslinsen Licht auf krummen Wegen
Max Camenzind
Senioren-Uni
Würzburg @ SS2013
DM Halos  Gravitationslinsen
Background Galaxien
Halos Dunkler Materie
Beobachter
Lichtablenkung im Universum
Unsere Themen
• Die Lichtablenkung nach Einstein, Tests im
Sonnensystem  machte Einstein 1920 populär!
• Lichtablenkung an Schwarzen Löchern
• Die Linsengleichung im schwachen Gravitationsfeld
• Starke Gravitationslinsen: Einstein-Kreuz,
Einstein-Ringe, …
• Verstärkung und Scherung  Dunkle Halos
• Galaxienhaufen als Linsen
•  bestimmen Dunkle Materieverteilung.
• Mikrolinsen: Sterne im Galaktischen Halo als
Gravitationslinsen  Was sind MACHOs?
Auf dem Weg zu den Gravitationslinsen
• Soldner 1801: Licht als Masse-Korpuskel in der
Newtonschen Gravitation  irreführendes Bild!
• Einstein 1911 über Äquivalenzprinzip  0,85´´ ! in Prag:
Über den Einfluss der Schwerkraft auf die Ausbreitung des
Lichtes (Ann. Phys. 35, 898)Freundlich will dies messen
• Einsteins Korrektur 1915  auch die Krümmung des
Raumes trägt bei  korrekter Wert: 1,75´´.
• 1919/1922: Sonnenfinsternisse bestätigen Einstein 
Einstein wird sehr populär, auch in Berlin!
• Einstein 1936: Science 84: „Linsenartige Wirkung eines
Sterns durch Lichtablenkung im Gravitationsfeld“
 Einstein: das Phänomen sei nicht beobachtbar.
• 1979: Doppelquasar  Erste Gravitationslinse mit Quasar
 heute über 100 gelinste Quasare.
100 Jahre Allgemeine Relativität
 Lichtablenkung an Sonne
Gravitation krümmt
den Raum
b
Photon beschreibt
eine Geodäte in
der RaumZeit
a = 4GM/c²b = 1,7505 arcsec ( RSonne / b )
Lichtablenkung an Sonne
1914: Krim
1919: Brasilien
1,61´´ +- 0,4´´
Expedition
Campbell 1922
Lick Observatorium
 nach Australien
a = 1,74 +- 0,2 arcsec
New York Times 1919
Einstein wurde sehr populär, auch in D?
Gravitationslinsen
 Beliebige Massenverteilung  GLinse
RaumZeit im schwachen Limes  Newtonsches Potenzial F
Ablenkung Massenverteilung
Ausdehnung der Linse gering zu typischen Distanzen 
Optische Achse
Quelle, Linse und Beobachter
Geometrie der GLinse
Quellebene
Linsenebene
a Ablenkwinkel
b=Q-a
Beobachter
Bild
Die Linsengleichung
Quelle
Ablenkpotenzial
Linse
Beobachter
Beispiel 1: Punktmassenlinse
Stoßparameter:
b = DL Q
Skalierter
Ablenkwinkel
Quadratische Gleichung in Q(b)
 Punktmasse erzeugt 2 Bilder
Beispiel 2: Halo Dunkler Materie
Navarro-Frenk-White Halo-Profil
Hülle
Core
Isothermes Halo-Profil
Endliche Masse MH
Endlicher Radius RH
z.B. Elliptische Galaxie
Ablenkwinkel Isothermer Halo
norm = 4GMH/c²RH ~ Bogensekunden
Isothermer Halo vs. NFW-Profil
NFW
Isotherm
mit Cutoff
RH = 12
Konstante Flächenbelegung 
Kritische Flächendichte, Galaxis Bulge S ~ 109 MS/kpc² 
 Starke GLinse: S > Scrit
 Schwache GLinse: S < Scrit
Galaxienhaufen Massenprofile
Scrit
Halo GLinse  mehrere Bilder
Experiment Weinglas als GLinse
EinsteinRing
Q0957+561  1. Linse mit Quasar
1979: zQ = 1,41 – MBH = 1,5x109 MS
HE0047-175
zQ = 1,66; zL = 0,41
Das Einstein-Kreuz Q2237+0305
Quasar: 7,9 Gpc; GLinse: 168 Mpc
MG0414-1223
zQ = 2,64; zL = 0,96
Quasar H1413+117 / zQ = 2,55
GLinsen: Galaxien als Quelle / HST
Der Einstein-Ring
Beobachter – Linse – Quelle auf einer Achse
Punktmassen-Linse  erzeugt immer 2 Bilder
b = 0  quadratische Gleichung in Q
 Einstein-Ring ~ Bogensekunden für Galaxien
Der Einstein-Ring einer Galaxie
Beobachter – Linse – Quelle auf einer Achse
Quelle
Galaxie
~ Gpc
Beobachter
Linse
Galaxie
~ 500 Mpc
Einstein-Ring SDSSJ1430
Einstein-Ring SDSSJ1430
Quelle
Linse: E-Galaxie
Bild
Abbildungseigenschaften
 Verstärkung (Konvergenz) & Verscherung
Kreis
 Ellipse
 symmetrische Matrix
2 Kritische Linien - Hauptachsen
Unendliche Verstärkung:
 2 kritische Linien: g² = 1
 g = 1, k = g = 1/2: tangential
oder g = -1 : radial
DM Halos  Scherung
Navarro-Frenk-White Profil NFW
 divergiert im Zentrum!
Isothermes Halo-Modell
 Maximum bei 2 Core-Radien
Abbildung
Elliptische
GLinse
EinsteinKreuz
Galaxienhaufen als Linsen
 Bögen & Weak Lensing  Dichteprofil
Lichtablenkung durch Dunkle Materie
CLJ1226+3332
MACS1149+2223
MACS1423+2404
MACS1311-0310
Abell 963
MACS1115+0129
MACS1206-0847
MACS1532+3021
RXJ1347-1145
Abell 611
MACS0744+3927
MACS0717+3745
MACS1720+3536
Abell 2261
MACS0647+7015
Cluster distribution on sky
120o
60o
0o
300o
240o
MACS1931-2635
RXJ2129+0005
MACS0429-0253
MACS2129-0741
MACS0416-2403
MS2137-2353
Median z=0.39
MACS0329-0211
Abell 383
RXJ2248-4431
Abell 209
CLASH CLUSTER SAMPLE
(Galactic Coordinates)
Redshift
Background: Schlegel et al. Galactic Extinction Map
MACSJ1206 / CLASH
Massenprofil Galaxienhaufen
MACSJ1206-0847
Isothermer Halo?
Hintergrundgalaxien an GHaufen
Unlensed
Lensed
Der Linseneffekt verschert
die Bilder von HintergrundGalaxien  tangential
Diese Methode ist
empfindlich auf die
Gradienten im Potenzial
DM Halos – CFHTLenS Project
 Schwacher Mikrolinseneffekt
Verteilung der DM
Van Waerbeke, Heymans,
and CFHTLens collaboration
10 Grad
Van Waerbeke, Heymans,
& CFHTLens collaboration
 DM Halos mit GalHaufen
Zukunft DM Surveys
Gravitations-MikroLinsen
Bilder können nicht aufgelöst werden (marcsec)
 Nur Verstärkung in Lichtkurve sichtbar!
Gravitationslinsen: Halo Sterne, Braune Zwerge, WZ, MACHOs?
Milchstraße mit Bulge 8 kpc
Erde
250 Mio.
Sterne in der Großen
Magellanschen Wolke
Sternenfeld Magellansche Wolke
OGLE-IV Felder in LMC
Überwachung von 250 Mio. Sternen
1,3-m OGLE Teleskop Las Campanas
OGLE = Optical Gravitational Lensing Experiment
OGLE Teleskop - OGLE-IV Kamera
MACHO, EROS, OGLE gleichzeitig
1. Mikrolinsen-Event
1992
OGLE-IV Events
2011: 1500 Events
2012: 1200 Events
Einstein-Radius und Zeitskala GB
Crossing-Zeit durch Einstein-Ring: tE = rE/v
Abbildung
Mikrolinse
b
rE
Im Unterschied zu
veränderlichen Sternen
ist die Lichtkurve
achromatisch
symmetrisch
Verstärkungsfaktor
Flächenhelligkeit bleibt erhalten
u(t) = b(t)/rE
Verstärkungsformel:
Nach Pythagoras:
Aufspaltung & Verstärkung
Aufspaltung & Verstärkung
Punktlinse  nur 2 Bilder
Animation: Matthias Borchardt
Aufspaltung & Verstärkung
Punktlinse  nur 2 Bilder Offset
Animation: Matthias Borchardt
Aufspaltung & Verstärkung
MikroLinse & Planet
Animation: Matthias Borchardt
Verstärkungsfaktor MikroLinsen
u0 = 0,01
u0 = 0,1
u0 = 0,2
Typische Mikrolinsen-Lichtkurve
Galactic Bulge Event
Tausende von Mikrolinsen-Ereignissen wurden bisher in Richtung des
Galaktischen Bulges detektiert.  Existenz von Balken.
In Richtung der Magellanschen Wolken werden hingegen keine
kurzen Events (Zeitskalen von einigen Stunden bis zu 20 Tagen).
 Keine Massen unter 0,05 Sonnenmassen! MACHOS ausgeschlossen
 Typische Masse im Halo der Galaxis: 0,3 – 0,7 Sonnenmassen! WZ?
Programme mit Pan-STARRS
Mikrolinsen Richtung
Andromeda
OGLE, MOA, …
ExoPlaneten mit µLens
1. ExoPlanet mit Mikrolensing – Binary
MP = 2,6 MJ , a = 4,3 AE ~ Sonnensystem
ExoPlaneten mit Mikrolensing
Zusammenfassung
• Lichtablenkung ist ein wichtiges Phänomen der
Einsteinschen Gravitation.  Gravitationslinsen
durch Galaxien und Galaxienhaufen.
• Man unterscheidet in starke und schwache
Gravitationslinsen  ~ 100 Quasare gelinst.
•  Schwache Linsen weisen Dunkle Materie nach
• Mikrolinsen werden zur Untersuchung der
Objekte im Galaktischen Halo herangezogen.
•  Objekte des Halos haben Massen von 0,3 –
0,7 Sonnenmassen  keine MACHOs!
•  die ersten ExoPlaneten mit µLens entdeckt.
Herunterladen
Explore flashcards