Gravitationslinsen
08.01.08 Sonja Boyer
Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6.
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Geschichte Was sind Gravitationslinsen? Starker Linseneffekt Schwacher Linseneffekt Mikro-Linsen Ausblick Gravitationslinsen
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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
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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
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Gravitationslinsen
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Gravitationslinsen vs. dünne Linsen
Gravitationslinsen lenken zentrumsnahe Strahlen stärker ab, normale Linsen dagegen lenken zentrumsferne Strahlen stärker ab. 08.01.2008
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Die Linsengleichung Linsengleichung:
für punktförmige Linsen gilt: mit
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Die Linsengleichung Nach Einsetzen: ÖLinsengleichung für punktförmige Linsen:
Î
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Einsteinradius Einstein-Radius als Winkel:
Einstein-Radius:
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Wie wirken Gravitationslinsen? verändern scheinbare Position des Objekts verstärken seine Helligkeit verzerren seine Form erzeugen Doppel-/ Mehrfachbilder erzeugen zeitversetzte Helligkeitsschwankungen in den unterschiedlichen Bildern
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Verstärkung
Eine Gravitationslinse lenkt das Licht eines Hintergrundobjektes nicht nur ab, sondern sie verstärkt es auch.
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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:
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Verstärkung Bildposition einsetzen
u = Winkelabstand Linse- Quelle ÎGesamtverstärkung:
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Einsteinringe
entstehen, wenn eine Galaxie genau hinter der Linse steht
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B 1938+666
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Starker Linseneffekt
es erscheinen mehrfache Abbildungen meist durch große Galaxien abgelenktes Licht
erste Mehrfachabbildung: Quasar QSO 0957+561
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Einsteinkreuz 4-fach Abbildungen Quasar QSO 2237+0305 → Einsteinkreuz
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Mehrfache Abbildung größte bisher gefundene Gravitationslinse: SDSS 1004 „Linse“ muss Masse von etwa 200 Billionen Sonnenmassen haben
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Identifizierung
Rotverschiebung/ Entfernung identisch Spektralverläufe identisch oder ähnlich bei nahen Linsen muss diese zwischen Abbildern zu sehen sein dieselben Intensitätsvariationen, wobei zeitliche Verschiebung möglich
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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)
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Große Lichtbögen (Giant Luminous Arcs)
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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
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Nutzen von Gravitationslinsen
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messen kosmischer Entfernungen Bestimmung der Expansion des Alls „wiegen“ von Galaxienhaufen aufspüren extrasolarer Planeten Verteilung der Dunklen Materie
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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
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Danke für die Aufmerksamkeit! 08.01.2008
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Gravitationslinsen Alexander Summa
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4. Weak Lensing
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
Sehr häufig vorkommender Linseneffekt Ablenkung der Photonen in jeder Blickrichtung Schwierig nachzuweisen
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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
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Galaxien haben sehr willkürliche Formen, speziell weit entfernte Galaxien aus einer früheren Phase des Universums. Kleine Deformationen durch den Gravitationslinseneffekt sind daher schwer nachzuweisen.
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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
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
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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
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
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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
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
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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
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
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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
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Karte der Dunklen Materie:
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Gravitationslinsen - Weak Lensing
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5. Microlensing
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Mikrolinsenereignis
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Das Prinzip des „Microlensings“:
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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
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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)
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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
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Messergebnisse
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Messergebnisse: Doppelstern
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Zwei Anwendungsbeispiele:
Erforschung der Dunklen Materie
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Suche nach Exoplaneten
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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
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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)
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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
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Suche nach Exoplaneten
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Suche nach Exoplaneten
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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
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Gravitationslinsen - Ausblick
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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
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Gravitationslinsen - Literatur
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