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Gravitationslinsen 08.01.08 Sonja Boyer Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6. 08.01.2008 Geschichte Was sind Gravitationslinsen? Starker Linseneffekt Schwacher Linseneffekt Mikro-Linsen Ausblick Gravitationslinsen 2 Geschichte 1801 Prof. Soldner vermutet Ablenkung (0,8 Bs) der Lichtteilchen im Schwerefeld 1912 Einstein: Idee der geometrischen Gravitationslinse, durch ART erklärbar, Ablenkung 1,7 Bs 1919 A.S. Eddington bestätigt bei Sonnenfinsternis Einstein Eddington 08.01.2008 Gravitationslinsen 3 Geschichte 1979 Quasar QSO 0957+561 wird von D. Walsh, R.F. Carswell &R.J. Weymann entdeckt 1986 Entdeckung der Einsteinringe 2004: - 64 unzweifelhaft identifizierte Linsensysteme mit Mehrfachabbildung - 18 mögliche Kandidaten 08.01.2008 Gravitationslinsen 4 Gravitationslinsen 08.01.2008 Gravitationslinsen 5 Gravitationslinsen vs. dünne Linsen Gravitationslinsen lenken zentrumsnahe Strahlen stärker ab, normale Linsen dagegen lenken zentrumsferne Strahlen stärker ab. 08.01.2008 Gravitationslinsen 6 Die Linsengleichung Linsengleichung: für punktförmige Linsen gilt: mit 08.01.2008 Gravitationslinsen 7 Die Linsengleichung Nach Einsetzen: ÖLinsengleichung für punktförmige Linsen: Î 08.01.2008 Gravitationslinsen 8 Einsteinradius Einstein-Radius als Winkel: Einstein-Radius: 08.01.2008 Gravitationslinsen 9 Wie wirken Gravitationslinsen? verändern scheinbare Position des Objekts verstärken seine Helligkeit verzerren seine Form erzeugen Doppel-/ Mehrfachbilder erzeugen zeitversetzte Helligkeitsschwankungen in den unterschiedlichen Bildern 08.01.2008 Gravitationslinsen 10 Verstärkung Eine Gravitationslinse lenkt das Licht eines Hintergrundobjektes nicht nur ab, sondern sie verstärkt es auch. 08.01.2008 Gravitationslinsen 11 Verstärkung Lösungen der punktförmigen Linsengleichung geben Positionen der Abbilder an das schwächere Abbild liegt innerhalb des Einsteinrings, das andere außerhalb Verstärkung durch Verhältnis zwischen Bild und Quelle gegeben: 08.01.2008 Gravitationslinsen 12 Verstärkung Bildposition einsetzen u = Winkelabstand Linse- Quelle ÎGesamtverstärkung: 08.01.2008 Gravitationslinsen 13 Einsteinringe entstehen, wenn eine Galaxie genau hinter der Linse steht 08.01.2008 Gravitationslinsen B 1938+666 14 Starker Linseneffekt es erscheinen mehrfache Abbildungen meist durch große Galaxien abgelenktes Licht erste Mehrfachabbildung: Quasar QSO 0957+561 08.01.2008 Gravitationslinsen 15 Einsteinkreuz 4-fach Abbildungen Quasar QSO 2237+0305 → Einsteinkreuz 08.01.2008 Gravitationslinsen 16 Mehrfache Abbildung größte bisher gefundene Gravitationslinse: SDSS 1004 „Linse“ muss Masse von etwa 200 Billionen Sonnenmassen haben 08.01.2008 Gravitationslinsen 17 Identifizierung Rotverschiebung/ Entfernung identisch Spektralverläufe identisch oder ähnlich bei nahen Linsen muss diese zwischen Abbildern zu sehen sein dieselben Intensitätsvariationen, wobei zeitliche Verschiebung möglich 08.01.2008 Gravitationslinsen 18 Mehrfache Abbildungen Eine Anwendung: - aus Laufzeitunterschied kann man die Hubble-Konstante bestimmen - QSO 0957 +561 hat Unterschied von 417 Tagen Ö H=(67 ± 13) km/(sec*Mpc) 08.01.2008 Gravitationslinsen 19 Große Lichtbögen (Giant Luminous Arcs) 08.01.2008 Gravitationslinsen 20 Große Lichtbögen zuerst gefunden bei sehr großen, fernen Galaxien werden durch Galaxienhaufen erzeugt → sehr weit entfernte Objekte beobachtbar → Massenverteilung der Galaxienhaufen bestimmbar: Dunkle Materie überwiegt 08.01.2008 Gravitationslinsen 21 Nutzen von Gravitationslinsen 08.01.2008 messen kosmischer Entfernungen Bestimmung der Expansion des Alls „wiegen“ von Galaxienhaufen aufspüren extrasolarer Planeten Verteilung der Dunklen Materie Gravitationslinsen 22 Literatur http://home.arcor.de/sannah/blue/gravli-eff.html www.wikipedia.org/Gravitationslinsen http://www.usm.unimuenchen.de/people/saglia/dm/galaxien/alldt/node58.html http://www.weltderphysik.de/de/3112.php http://www.ita.uni-heidelberg.de/~msb/gravLens/index_gr.html http://www.einsteinonline.info/de/vertiefung/GravLinsenGeschichte/index.html http://www.astronews.com/news/artikel/2003/12/0312-015.shtml http://homepage.univie.ac.at/Franz.Embacher/Rel/Lichtablenkung/gr avitationslinse.html 08.01.2008 Gravitationslinsen 23 Danke für die Aufmerksamkeit! 08.01.2008 Gravitationslinsen 24 Gravitationslinsen Alexander Summa 08.01.2008 25 4. Weak Lensing 08.01.2008 Gravitationslinsen 26 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing Sehr häufig vorkommender Linseneffekt Ablenkung der Photonen in jeder Blickrichtung Schwierig nachzuweisen 27 Der schwache Gravitationslinseneffekt wird durch weniger effiziente Konfigurationen verursacht. Realistisch: Kennzeichen: schwache elliptische Deformation Überlagert von intrinsischer Morphologie nicht nachweisbar anhand einzelner Objekte Falls messbar, gewährt die Deformation die Bestimmung der Stärke der Linse am Ort des Galaxiebildes. 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 28 08.01.2008 Galaxien haben sehr willkürliche Formen, speziell weit entfernte Galaxien aus einer früheren Phase des Universums. Kleine Deformationen durch den Gravitationslinseneffekt sind daher schwer nachzuweisen. Gravitationslinsen - Weak Lensing 29 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Einzelne Galaxie Einzelne Galaxie 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 30 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 3 Galaxien Mittelwert über 3 Galaxien 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 31 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 10 Galaxien Mittelwert über 10 Galaxien 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 32 Lösung: Suche nach Trends Durch Mittelung über viele Galaxien kann man die Deformation aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts erkennbar machen. Ohne Lensing: Mit Lensing: Mittelwert über 100 Galaxien Mittelwert über 100 Galaxien 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 33 Falls Dichte der Hintergrund-Galaxien hoch genug: Schwacher Linseneffekt erlaubt die Erstellung von Karten der Verteilung der Dunklen Materie. ca. 20.000 - 100.000 Galaxien/Mondfläche → Prinzipiell lässt sich also die Verteilung der Dunklen Materie über den gesamten Himmel kartieren. 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 34 Karte der Dunklen Materie: 08.01.2008 Gravitationslinsen - Weak Lensing 35 5. Microlensing 08.01.2008 Gravitationslinsen 36 Mikrolinsenereignis 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 37 Das Prinzip des „Microlensings“: 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 38 Bildaufspaltung und Verstärkung Typische Winkelabstände für Linsensysteme mit Galaktischen Sternen: ~ 1 Millibogensekunde Mehrfachbilder können nicht aufgelöst werden. Aber: Registrierung des Verstärkungseffekts und Messung von Lichtkurven Theoretische Zeitskala (ergibt sich aus Relativbewegung von Quelle, Linse und Beobachter): Dd 1/ 2 M 1/ 2 Dd 1/ 2 v t E = 0.214 y ( ) ( ) (1 − ) ( ) −1 MΘ Ds 10 kpc 200 km/s 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 39 Eigenschaften der Lichtkurven: nicht wiederkehrend symmetrisch achromatisch Observablen: S0 (Fluss der ungelinsten Quelle) tmax (Zeitpunkt maximaler Verstärkung) p (kleinster Abstand Quelle – optische Achse) tE (charakteristische Zeitskala) 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 40 Nur tE enthält astrophysikalisch relevante Informationen. Aber: Nur Kombination t E ∝ M Dd / v ist aus den Lichtkurven messbar → Nur Vergleich mit Modellen/Simulationen möglich Problem: Wahrscheinlichkeit eines Linsenereignisses ~ 10-7 → Lichtkurven von Millionen von Quellen müssen beobachtet werden Ab Anfang der 90er Jahre beginnen verschiedene Gruppen mit der Suche nach MicrolensingEreignissen: MACHO, EROS, OGLE 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 41 Messergebnisse 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 42 Messergebnisse: Doppelstern 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 43 Zwei Anwendungsbeispiele: Erforschung der Dunklen Materie 08.01.2008 Suche nach Exoplaneten Gravitationslinsen - Microlensing 44 Erforschung der Dunklen Materie Natur der Dunklen Materie bisher unbekannt, zwei Kandidaten: Astrophysikalische Dunkle Materie, z.B. Massearme und leuchtschwache Sterne Weiße und braune Zwerge … → MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) Teilchenphysikalische Dunkle Materie, bestehend aus bislang unbekannten Elementarteilchen 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 45 Erforschung der Dunklen Materie Bisherige Messergebnisse: Eingrenzung des Anteils von MACHOs an der Halomasse auf ca. 20% Größtenteils Objekte im Bereich 0,1 – 1 M~ → Normale Sterne, Neutronensterne (zu hohe Masse) ausgeschlossen → Primordiale schwarze Löcher theoretisch möglich, Weiße Zwerge am wahrscheinlichsten Unsicherheiten: wenig Werte, Self-Lensing, Annahmen bzgl. Halomodell (radiale Dichteverteilung) 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 46 Suche nach Exoplaneten System Linsenstern – Planet erzeugt kleine Abweichungen in den Lichtkurven Änderungen finden in sehr kurzen Zeitskalen statt → häufige Messungen Einzige erdgebundene Methode, die das Finden erdähnlicher Planeten erlaubt 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 47 Suche nach Exoplaneten 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 48 Suche nach Exoplaneten 08.01.2008 Gravitationslinsen - Microlensing 49 Ausblick Exaktere Messung von Time-Delays und der Hubble-Konstante Viele Ergebnisse sind wichtiges Werkzeug bei der Überprüfung von bestehenden Modellen Neue Kenntnisse über Galaxienaufbau, speziell der Milchstraße und deren Zentrum Außenbezirke der Galaxien Sterne, Doppelstern-Systeme Exoplaneten 08.01.2008 Gravitationslinsen - Ausblick 50 Literatur Carroll & Ostlie: Modern Astrophysics, Section 26.4 Wambsganss: Gravitational Lensing in Astronomy Evans: The First Heroic Decade of Microlensing http://bulge.astro.princeton.edu/%7Eogle/ogle3/blg2 35-53.html http://www.astro.uni-bonn.de/~peter/Poster3d.html http://www.astronomy.ohiostate.edu/~gaudi/movies.html 08.01.2008 Gravitationslinsen - Literatur 51
