حلقه اینشتین

در اخترشناسی رصدی، حلقهٔ اینشتین عبارت است از تغییر شکل نور رسیده از یک منبع (مثل کهکشان یا ستاره) به یک حلقه، که از همگرایی گرانشی نور منبع توسط یک جرم بسیار بزرگ (مانند یک کهکشان دیگر یا سیاهچاله) ناشی می‌شود. این پدیده وقتی روی می‌دهد که منبع، عدسی گرانشی و ناظر، هر سه در یک خط قرار بگیرند. نخستین حلقهٔ اینشتین کامل با همکاری اخترشناسان دانشگاه منچستر و تلسکوپ فضایی هابل ناسا در سال ۱۹۹۸ کشف شد و بی۱۹۳۸+۶۶۶ نام نهاده شد. تلسکوپ فضایی جیمز وب حلقه تقریباً کامل اینشتین را که در فاصله تقریبی ۱۲ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد، ثبت کرده است. وجود حلقه‌های اینشتین، علاوه بر زیبایی، به ما این امکان را می‌دهد که کهکشان‌هایی را که مشاهده آنها در غیر این صورت تقریباً غیرممکن است، مطالعه کنیم. اینشتین این فرآیند را پیش‌بینی کرده بود و از این رو نام او را به آن اختصاص داده‌اند. اگرچه رصد حلقه‌های اینشتین اتفاقی نادر است، اما بی سابقه نیست. هابل پیش از این تصاویری از حلقه‌های دیدنی اینشتین گرفته بود.

مقدمه

پدیدهٔ همگرایی گرانشی به‌وسیلهٔ نظریهٔ نسبیت عام آلبرت اینشتین پیش‌بینی شده است. به‌جای آن‌که نورِ یک منبع (در سه‌بُعد) در خطی راست حرکت کند، حضور یک جرم پرجرم آن را خم می‌کند و فضازمان را دچار اعوجاج می‌سازد. حلقهٔ اینشتین حالت ویژه‌ای از همگرایی گرانشی است که بر اثر هم‌راستاییِ دقیقِ منبع، عدسی و ناظر پدید می‌آید. این هم‌راستایی تقارنِ پیرامون عدسی ایجاد می‌کند و ساختاری حلقه‌مانند به‌وجود می‌آورد.

هندسهٔ یک حلقهٔ کامل اینشتین که بر اثر یک عدسی گرانشی ایجاد شده است

اندازهٔ حلقهٔ اینشتین با شعاع اینشتین داده می‌شود. در واحد رادیان، داریم:

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

که در آن:

$G$ ثابت گرانش است،

$M$ جرمِ عدسی است،

$c$ سرعت نور است،

$D_{L}$ فاصلهٔ زاویه‌ای-قطری تا عدسی است،

$D_{S}$ فاصلهٔ زاویه‌ای-قطری تا منبع است، و

$D_{LS}$ فاصلهٔ زاویه‌ای-قطری میان عدسی و منبع است.

در فواصل کیهانی، به‌طور کلی $D_{LS}\neq D_{S}-D_{L}$ برقرار است.

تاریخچه

خم‌شدن نور بر اثر میدان گرانشی در سال ۱۹۱۲ توسط آلبرت اینشتین پیش‌بینی شد، چند سال پیش از انتشار نظریهٔ نسبیت عام در ۱۹۱۶ (Renn و همکاران، ۱۹۹۷). اثر حلقه نخستین‌بار در ادبیات دانشگاهی توسط اورست خُولسون در مقاله‌ای کوتاه در سال ۱۹۲۴ یاد شد که در آن از «اثر هاله‌ای» گرانش هنگام هم‌راستایی تقریباً کاملِ منبع، عدسی و ناظر سخن گفت. اینشتین در ۱۹۳۶ در مقاله‌ای که به‌دنبال نامهٔ یک مهندس چک به نام R. W. Mandl نوشته شد، به این اثر اشاره کرد، اما نوشت:

بدیهی است که امیدی به مشاهدهٔ مستقیم این پدیده نیست. نخست آن‌که بعید است هرگز به اندازهٔ کافی به چنین خط مرکزی نزدیک شویم. دوم آن‌که زاویهٔ β از توان تفکیک ابزارهای ما فراتر خواهد بود.

— Science vol 84, p. 506. 1936

(در این بیان، β همان زاویهٔ اینشتین است که اکنون با $\theta _{1}$ در رابطهٔ بالا نشان داده می‌شود.) بااین‌حال، اینشتین تنها احتمال مشاهدهٔ حلقه‌های حاصل از ستارگان را در نظر داشت که احتمال پایینی دارد؛ در حالی‌که احتمال مشاهدهٔ حلقه‌های پدیدآمده از عدسی‌های بزرگ‌تر مانند کهکشان‌ها یا سیاه‌چاله‌ها بیشتر است، زیرا اندازهٔ زاویه‌ایِ حلقهٔ اینشتین با جرم عدسی افزایش می‌یابد.

نخستین حلقهٔ کامل اینشتین با شناسهٔ B1938+666 در سال ۱۹۹۸ با همکاری اخترشناسان دانشگاه منچستر و تلسکوپ فضایی هابل ناسا کشف شد.

ظاهراً تاکنون مشاهده‌ای از تشکیل حلقهٔ اینشتین توسط یک ستاره و یک ستارهٔ دیگر گزارش نشده است، اما در اوایل ماه مه ۲۰۲۸ حدود ۴۵٪ شانس وجود دارد که هنگام گذر آلفا قنطورس A میان ما و یک ستارهٔ سرخ دوردست، چنین رخدادی دیده شود.

حلقه‌های اینشتینِ شناخته‌شده

تصویر «لبخند» یا «گربهٔ چِشایر» از یک خوشه کهکشانی (SDSS J1038+4849) و همگرایی گرانشی (یک «حلقهٔ اینشتین») که توسط تیمی بین‌المللی کشف شد، تصویربرداری‌شده با هابل

صدها عدسی گرانشی تاکنون شناخته شده‌اند. حدود نیم‌دوجین از آن‌ها حلقه‌های اینشتینِ جزئی با قطرهایی تا حدود یک ثانیه قوسی هستند؛ هرچند به‌سبب نامتقارن‌بودن توزیع جرمِ عدسی‌ها یا ناهماهنگیِ کاملِ منبع، عدسی و ناظر، هنوز حلقهٔ اینشتینِ کاملاً بی‌نقص دیده نشده است. بیشتر حلقه‌ها در ناحیهٔ رادیویی کشف شده‌اند. میزان «کامل‌بودن» لازم برای آن‌که تصویریِ حاصل از عدسی گرانشی «حلقهٔ اینشتین» به‌شمار آید، هنوز به‌طور دقیق تعریف نشده است. نخستین حلقهٔ اینشتین توسط Hewitt و همکاران (۱۹۸۸) کشف شد که منبع رادیویی MG1131+0456 را با VLA رصد کردند. در این مشاهده، یک اختروش بر اثر گرانشِ یک کهکشانِ نزدیک‌تر به دو تصویرِ جدا ولی بسیار مشابه از یک جرم تبدیل شد که این تصاویر پیرامون عدسی کشیده شدند و تقریباً حلقه‌ای کامل ساختند. این تصاویر دوتایی یکی دیگر از پیامدهای ناهماهنگی کاملِ منبع، عدسی و ناظر است.

تصویر کاذب جیمز وب از SPT0418-47، کهکشانی با انتقال‌به‌سرخ زیاد و سرشار از مولکول‌های آلی که به‌صورت حلقهٔ اینشتینِ تقریباً کامل دیده می‌شود

نخستین حلقهٔ کامل اینشتینِ شناخته‌شده B1938+666 بود که King و همکاران (۱۹۹۸) در پیِ رصدِ اپتیکی با تلسکوپ هابل از یک عدسی گرانشیِ تصویرشده با MERLIN شناسایی کردند. کهکشانی که در B1938+666 نقش عدسی را بازی می‌کند، یک کهکشان بیضوی کهن است و تصویری که از پشتِ عدسی می‌بینیم یک کهکشان کوتولهٔ تاریکِ ماهواره‌ای است که با فناوری کنونی به‌طور مستقل قابل مشاهده نبود.

در ۲۰۰5، توانِ ترکیبیِ پیمایش آسمانی اسلون (SDSS) و تلسکوپ هابل در طرح SLACS به کشف ۱۹ عدسی گرانشی تازه انجامید که ۸ مورد از آن‌ها حلقهٔ اینشتین نشان دادند، که همین ۸ مورد در تصویر مجاور دیده می‌شوند. تا سال ۲۰۰۹، این طرح ۸۵ عدسی گرانشیِ تأییدشده یافت، هرچند هنوز شمار حلقه‌های اینشتینِ آن مشخص نشده است. این طرح مسئولِ بیشتر کشفیات اخیرِ حلقه‌های اینشتین در ناحیهٔ نوری است. چند نمونه:

FOR J0332-3557 که در ۲۰۰۵ توسط رِمی کَبَناک و همکاران کشف شد، که به‌سبب انتقال به سرخ بالا برای مطالعهٔ جهان آغازین ارزشمند است.

«نعل اسبی کیهانی» حلقهٔ اینشتینِ جزئی است که از همگراییِ LRG 3-757، یک کهکشان قرمز درخشانِ بسیار بزرگ، به‌دست آمد و در ۲۰۰۷ توسط V. Belokurov و همکاران گزارش شد.

SDSSJ0946+1006 یا «حلقهٔ اینشتینِ دوتایی» که در ۲۰۰۸ توسط رافائل گاواتسی و تومازو تروئو کشف شد، که وجود چند حلقه در پیرامون یک عدسی را نشان می‌دهد؛ اهمیت آن در بخش حلقه‌های اضافی توضیح داده شده است. نمونهٔ دیگر، حلقهٔ اینشتینِ رادیویی/پرتو ایکس پیرامون PKS 1830-211 است که در باند رادیویی به‌طور غیرمعمول نیرومند است. این مورد توسط ورشا گوبتا و همکاران در رصدخانهٔ پرتو ایکس چاندرا در باند ایکس نیز گزارش شد، و از این جهت نیز چشمگیر است که نخستین موردِ همگراییِ یک اختروش توسط یک کهکشان مارپیچی تقریباً تمام‌رخ به‌شمار می‌آید.

کهکشان MG1654+1346 دارای حلقهٔ رادیویی است. تصویری که در حلقه دیده می‌شود لُبِ رادیوییِ یک اختروش است که در ۱۹۸۹ توسط جی. لَنگستون و همکاران کشف شد.

در ژوئن ۲۰۲۳، تیمی به رهبری جاستین اسپیلکر از کشفِ حلقهٔ اینشتینِ کهکشانی دوردست سرشار از مولکول‌های آلی (هیدروکربن آروماتیک) خبر داد.

در سپتامبر ۲۰۲۳، دانشمندی به نام برونو آلتیِری در داده‌های بازگشتی از تلسکوپ فضایی اقلیدس نشانه‌ای از یک حلقهٔ اینشتین دید. این حلقه در کهکشان NGC 6505 جای دارد که فاصلهٔ چندان زیادی از زمین ندارد؛ حدود ۶۰۰ میلیون سال نوری.

در فوریهٔ ۲۰۲۵، تلسکوپ فضایی اقلیدس حلقهٔ اینشتینِ تقریباً کاملی را پیرامون کهکشان NGC 6505 ثبت کرد، در فاصله‌ای حدود ۵۹۰ میلیون سال نوری. این اثرِ همگرایی گرانشی نورِ یک کهکشانِ پس‌زمینه را در فاصلهٔ ۴٫۴۲ میلیارد سال نوری خم کرده بود.

حلقه‌های اضافی

SDSSJ0946+1006 یک حلقهٔ اینشتینِ دوتایی است. اعتبار: هابل/ناسا/ESA

با بهره‌گیری از تلسکوپ فضایی هابل، یک حلقهٔ دوتایی توسط رافائل گاواتسی از STScI و تومازو تروئو از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا شناسایی شد. این پدیده از نورِ سه کهکشان در فواصل ۳، ۶ و ۱۱ میلیارد سال نوری پدید می‌آید. چنین حلقه‌هایی به فهمِ توزیع مادهٔ تاریک، انرژی تاریک، ماهیتِ کهکشان‌های دوردست و خمیدگی کیهان کمک می‌کنند. احتمال یافتنِ چنین حلقهٔ دوتایی پیرامون یک کهکشانِ پرجرم ۱ در ۱۰٬۰۰۰ است. نمونه‌برداری از ۵۰ حلقهٔ دوتاییِ مناسب می‌تواند اندازه‌گیریِ دقیق‌تری از محتوای مادهٔ تاریکِ کیهان و معادلهٔ حالتِ انرژی تاریک با دقت ۱۰ درصدی در اختیار اخترشناسان بگذارد.

شبیه‌سازی

در بخش نگارخانهٔ پایین، شبیه‌سازی‌ای آمده که بزرگ‌نمایی بر یک سیاه‌چالهٔ شوارتزشیلدی را در صفحهٔ راه شیری، میان ما و مرکز کهکشان، نشان می‌دهد. نخستین حلقهٔ اینشتین ناحیهٔ بیشترین اعوجاجِ تصویر است و قرص کهکشانی را نشان می‌دهد. سپس بزرگ‌نمایی، رشته‌ای از ۴ حلقهٔ اضافی را آشکار می‌کند که هرچه پیش می‌رویم باریک‌تر و به سایهٔ سیاه‌چاله نزدیک‌تر می‌شوند. این‌ها تصاویرِ چندگانه‌ای از قرص کهکشانی‌اند. حلقهٔ اول و سوم متناظر با نقاطی‌اند که پشتِ سیاه‌چاله (از دید ناظر) قرار دارند و در این‌جا با ناحیهٔ زردِ درخشانِ قرص (نزدیک مرکز کهکشان) متناظرند، در حالی‌که حلقهٔ دوم و چهارم تصاویرِ اجسامی‌اند که پشتِ ناظر قرار دارند و آبی‌تر به‌نظر می‌رسند، زیرا بخش متناظرِ قرص در آن‌جا نازک‌تر و در نتیجه کم‌نورتر است.

نگارخانه

• 
  عدسیِ چرخ‌و‌فلک ۷ کهکشانِ جداگانه را با یک هسته همگرا نشان می‌دهد. عدسی‌های دیگری نیز در بیرون دیده می‌شوند.