เลนส์โน้มถ่วงคือการกระจายตัวของสสาร (เช่น กระจุกดาราจักร) ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงที่อยู่ไกลออกไป ซึ่งสามารถดัดแสงจากดาวเทียม ผ่านไปยังผู้ชม และผู้สังเกตได้ เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าเลนส์โน้มถ่วง และปริมาณการโก่งตัวเป็นหนึ่งในการทำนายของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ฟิสิกส์คลาสสิกยังพูดถึงการโค้งงอของแสงด้วย แต่นั่นเป็นเพียงครึ่งเดียวเท่านั้นที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปพูดถึง
ผู้สร้าง
แม้ว่า Einstein จะทำการคำนวณที่ไม่ได้ตีพิมพ์ในเรื่องนี้ในปี 1912 แต่ Orest Chwolson (1924) และ František Link (1936) โดยทั่วไปถือว่าเป็นคนแรกที่พูดถึงผลกระทบของเลนส์โน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม เขายังคงมีความเกี่ยวข้องกับไอน์สไตน์มากกว่า ซึ่งตีพิมพ์บทความในปี 2479
ยืนยันทฤษฎี
Fritz Zwicky แนะนำในปี 1937 ว่าเอฟเฟกต์นี้อาจทำให้กระจุกดาราจักรทำหน้าที่เป็นเลนส์โน้มถ่วง เฉพาะในปี 1979 ปรากฏการณ์นี้ได้รับการยืนยันโดยการสังเกตของควาซาร์ Twin QSO SBS 0957 + 561.
รายละเอียด
เลนส์โน้มถ่วงทำให้เกิดการโก่งตัวสูงสุดของแสงที่ส่องผ่านใกล้ศูนย์กลางมากที่สุด และขั้นต่ำของหนึ่งที่ขยายเพิ่มเติม ดังนั้นเลนส์โน้มถ่วงไม่มีจุดโฟกัสเดียว แต่มีเส้น คำนี้ในบริบทของการโก่งตัวของแสงถูกใช้ครั้งแรกโดย O. J. โรงแรมพำนักรับรอง. เขาตั้งข้อสังเกตว่า "เป็นเรื่องที่ยอมรับไม่ได้ที่จะบอกว่าเลนส์โน้มถ่วงของดวงอาทิตย์กระทำการในลักษณะนี้ เนื่องจากดาวไม่มีทางยาวโฟกัส"
หากแหล่งกำเนิด วัตถุขนาดใหญ่ และผู้สังเกตอยู่ในแนวเส้นตรง แหล่งกำเนิดแสงจะปรากฏเป็นวงแหวนรอบวัตถุ หากมีออฟเซ็ต จะเห็นเฉพาะเซ็กเมนต์แทน เลนส์ความโน้มถ่วงนี้ถูกกล่าวถึงครั้งแรกในปี 1924 ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กโดยนักฟิสิกส์ Orest Khvolson และดำเนินการเชิงปริมาณโดย Albert Einstein ในปี 1936 โดยทั่วไปในวรรณคดีเรียกว่า Albert Rings เนื่องจากก่อนหน้านี้ไม่เกี่ยวข้องกับการไหลหรือรัศมีภาพ
บ่อยครั้งเมื่อมวลเลนส์มีความซับซ้อน (เช่น กลุ่มดาราจักรหรือกระจุกดาราจักร) และไม่ทำให้กาลอวกาศบิดเบี้ยวเป็นทรงกลม แหล่งกำเนิดจะมีลักษณะคล้ายกันส่วนโค้งบางส่วนกระจายอยู่รอบเลนส์ ผู้สังเกตการณ์สามารถเห็นภาพการปรับขนาดหลายภาพของวัตถุเดียวกันได้ จำนวนและรูปร่างขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ เช่นเดียวกับการจำลองเลนส์โน้มถ่วง
สามคลาส
1. เลนส์ที่แข็งแกร่ง
ในกรณีที่มีการบิดเบือนที่มองเห็นได้ง่าย เช่น การก่อตัวของวงแหวนไอน์สไตน์ ส่วนโค้ง และภาพหลายภาพ
2. เลนส์อ่อน
ในกรณีที่การเปลี่ยนแปลงในแหล่งที่มาของพื้นหลังมีขนาดเล็กกว่ามาก และสามารถตรวจพบได้โดยการวิเคราะห์ทางสถิติของออบเจ็กต์จำนวนมากเท่านั้น เพื่อค้นหาข้อมูลที่เกี่ยวข้องกันเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ เลนส์แสดงทางสถิติว่าวัสดุพื้นหลังที่ยืดออกไปตามต้องการนั้นตั้งฉากกับทิศทางเข้าหาศูนย์กลางอย่างไร ด้วยการวัดรูปร่างและทิศทางของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจำนวนมาก สามารถเฉลี่ยตำแหน่งของพวกมันเพื่อวัดการเลื่อนฟิลด์ของเลนส์ในทุกภูมิภาค ในทางกลับกัน สามารถใช้เพื่อสร้างการกระจายมวลได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การแยกพื้นหลังของสสารมืดสามารถสร้างใหม่ได้ เนื่องจากดาราจักรเป็นวงรีโดยเนื้อแท้และสัญญาณเลนส์โน้มถ่วงที่อ่อนแอมีขนาดเล็ก จึงต้องใช้ดาราจักรจำนวนมากในการศึกษาเหล่านี้ ข้อมูลเลนส์ที่อ่อนแอจะต้องหลีกเลี่ยงแหล่งที่มาของอคติที่สำคัญหลายประการอย่างระมัดระวัง: รูปร่างภายใน แนวโน้มที่ฟังก์ชันการกระจายจุดของกล้องจะบิดเบือน และความสามารถในการมองเห็นในบรรยากาศเพื่อเปลี่ยนภาพ
ผลลัพธ์เหล่านี้การศึกษามีความสำคัญสำหรับการประเมินเลนส์โน้มถ่วงในอวกาศเพื่อให้เข้าใจและปรับปรุงโมเดล Lambda-CDM ได้ดีขึ้น และเพื่อให้การตรวจสอบการสังเกตอื่นๆ มีความสอดคล้องกัน พวกมันอาจสร้างข้อจำกัดที่สำคัญในอนาคตเกี่ยวกับพลังงานมืด
3. ไมโครเลนส์
ในกรณีที่รูปร่างไม่บิดเบี้ยว แต่ปริมาณแสงที่ได้รับจากวัตถุพื้นหลังจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา วัตถุของเลนส์อาจเป็นดวงดาวในทางช้างเผือก และต้นกำเนิดของแบ็คกราวด์คือลูกบอลในดาราจักรที่ห่างไกล หรือในอีกกรณีหนึ่ง อาจเป็นควอซาร์ที่อยู่ไกลกว่านั้น ผลกระทบมีขนาดเล็ก ดังนั้นแม้แต่ดาราจักรที่มีมวลมากกว่า 100 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ก็ยังสร้างภาพหลายภาพโดยคั่นด้วยเวลาเพียงสองสามอาร์ควินาที กระจุกดาราจักรสามารถแยกนาทีได้ ในทั้งสองกรณี แหล่งที่มาอยู่ค่อนข้างไกล หลายร้อยเมกะพาร์เซกจากจักรวาลของเรา
เวลาล่าช้า
เลนส์แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เท่าเทียมกันในการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท ไม่ใช่แค่แสงที่มองเห็นได้ มีการศึกษาผลกระทบที่อ่อนแอทั้งสำหรับพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลและสำหรับการศึกษาทางช้างเผือก นอกจากนี้ยังพบเลนส์ที่แข็งแกร่งในโหมดวิทยุและเอ็กซ์เรย์ หากวัตถุดังกล่าวสร้างภาพหลายภาพ จะมีการหน่วงเวลาสัมพัทธ์ระหว่างสองเส้นทาง นั่นคือในเลนส์หนึ่ง คำอธิบายจะถูกสังเกตเร็วกว่าที่อื่น
วัตถุสามประเภท
1. ดาว, เศษ, ดาวแคระน้ำตาลและดาวเคราะห์
เมื่อวัตถุในทางช้างเผือกผ่านระหว่างโลกกับดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกล มันจะโฟกัสและทำให้แสงพื้นหลังเข้มขึ้น เหตุการณ์ประเภทนี้เกิดขึ้นหลายครั้งในเมฆแมเจลแลนใหญ่ ซึ่งเป็นจักรวาลขนาดเล็กใกล้ทางช้างเผือก
2. กาแล็กซี่
ดาวเคราะห์มวลมากก็ทำหน้าที่เป็นเลนส์โน้มถ่วงได้เช่นกัน แสงจากแหล่งกำเนิดที่อยู่เบื้องหลังจักรวาลจะโค้งงอและเน้นไปที่การสร้างภาพ
3. กระจุกกาแล็กซี่
วัตถุขนาดมหึมาสามารถสร้างภาพของวัตถุที่อยู่ห่างไกลที่อยู่ข้างหลังมัน มักจะอยู่ในรูปของส่วนโค้งที่ยืดออก - ส่วนของวงแหวนไอน์สไตน์ เลนส์ความโน้มถ่วงแบบคลัสเตอร์ทำให้สามารถสังเกตแสงที่อยู่ห่างออกไปหรือสลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้ และเนื่องจากการมองระยะไกลหมายถึงการมองย้อนกลับไปในอดีต มนุษยชาติจึงสามารถเข้าถึงข้อมูลเกี่ยวกับเอกภพยุคแรกได้
เลนส์แรงโน้มถ่วง
Albert Einstein ทำนายในปี 1936 ว่ารังสีของแสงในทิศทางเดียวกับขอบของดาวฤกษ์หลักจะมาบรรจบกันที่จุดโฟกัสที่ประมาณ 542 AU ดังนั้นการสอบสวนที่ไกล (หรือมากกว่า) จากดวงอาทิตย์สามารถใช้เป็นเลนส์โน้มถ่วงเพื่อขยายวัตถุที่อยู่ห่างไกลจากฝั่งตรงข้ามได้ ตำแหน่งของโพรบสามารถเลื่อนได้ตามต้องการเพื่อเลือกเป้าหมายที่แตกต่างกัน
เดรคโพรบ
ระยะทางนี้อยู่ไกลเกินกว่าความก้าวหน้าและความสามารถของอุปกรณ์สำรวจอวกาศ เช่น ยานโวเอเจอร์ 1 และนอกดาวเคราะห์ที่รู้จัก แม้ว่าจะเป็นเวลานับพันปีเซดนาจะเคลื่อนที่ต่อไปในวงโคจรที่มีวงรีสูง อัตราขยายสูงสำหรับการตรวจจับสัญญาณที่อาจเกิดขึ้นผ่านเลนส์นี้ เช่น ไมโครเวฟบนสายไฮโดรเจน 21 ซม. ทำให้ Frank Drake คาดเดาในช่วงแรก ๆ ของ SETI ว่าโพรบสามารถส่งไปได้ไกลถึงขนาดนั้น SETISAIL อเนกประสงค์และ FOCAL ต่อมาถูกเสนอโดย ESA ในปี 1993
แต่อย่างที่คาดไว้ นี่เป็นงานที่ยาก หากโพรบผ่าน 542 AU ความสามารถในการขยายของวัตถุจะยังคงทำงานต่อไปในระยะทางที่ไกลกว่า เนื่องจากรังสีที่พุ่งเข้าหาโฟกัสในระยะทางที่ไกลกว่าจะเดินทางไกลจากการบิดเบือนของโคโรนาจากดวงอาทิตย์ แลนดิสเป็นผู้วิจารณ์แนวคิดนี้ ซึ่งกล่าวถึงประเด็นต่างๆ เช่น การรบกวน กำลังขยายเป้าหมายสูงซึ่งจะทำให้การออกแบบระนาบโฟกัสของภารกิจทำได้ยาก และการวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนทรงกลมของเลนส์เอง
