Efekt Kerra w optyce

Efekt Kerra, w optyce geometrycznej, jest rozszerzeniem zasad załamania światła podczas jego przechodzenia przez przejrzysty materiał o zmiennym indeksie refrakcji. Efekt ten stał się ważny w przemyśle telekomunikacyjnym, dla włókien optycznych (włókna o zmiennym indeksie załamania).

Efekt Kerra używany jest do ominięcia rozpraszania kolorów podczas transmisji światła. W rezultacie na całej długości trasy zachowana zostaje relacja fazy w widmie transmitowanego światła, a tym samym przenoszona informacja (soliton).

Może się okazać, że w astrofizyce efekt ten ma niespodziewane zastosowanie w środowisku gazowym o gradiencie w poziomie refrakcji, wraz z powiązaniem z gradientem gęstości (masy). Szczególnie gdy środowiska te występują wraz z gigantycznymi czarnymi dziurami (centra galaktyk).

Optyczne prawa Kartezjusza (przypomnienie)

Padający promień, prostopadły do padania oraz promień ugięty są na tym samym planie.

Sinus kąta padania jest w stałej relacji do sinusa kąta ugięcia. Wyraża to zależność:

sin i = n ⋅ sin r (n jest indeksem refrakcji)

Zauważmy, że indeks ugięcia zależy również od częstotliwości padającej fali. To właśnie ta własność jest wykorzystywana we włóknach z gradientem padania w celu uniknięcia rozproszenia chromatycznego.

Efekt Kerra w płaskiej geometrii

Gdy światło przecina środowisko o ciągłej zmianie indeksu refrakcji, podąża ono po trajektorii o stale zmieniającym się kącie. Na przykład, po lewej widać światło szybko zmieniające kierunek na pionowy.

Efekt Kerra w geometrii kołowej lub sferycznej (fr, PDF)

W środowisku sferycznym, z indeksem refrakcji zwiększającym się z zewnątrz do wewnątrz, światło podąża torem spiralnym. rodzaj spirali zależy od szybkości zmiany indeksu (liniowa, kwadratowa, sześcienna...).

Algorytm symulacji:

Osiągnęliśmy tą symulację dzięki programowi napisanemu w języku C. Czas wykonania, po kompilacji, na naszym PC, posiadanym w owym czasie (486 DX 50), był rzędu pół godziny.

Użyliśmy, za radą J.C. Peckera, profesora na Collège de France, prawa doskonałego szkła, pozwalającego na policzyć indeks załamania, znając gęstość n (ilość molekuł na objętość).

Dla obliczeń czynnika załamania ułożyłem równanie:

$N^2\left(V\right)=\epsilon \left(V\right)=1+4\eta n\alpha \left(V\right)$

gdzie α = 0,91 (wodór), a v = częstotliwość.

Potem wsadziliśmy to do oprogramowania zawierającego drugie prawo Kartezjusza. Trudności obliczeniowe wynikały z małej dokładności procesora (tabele trygonometryczne były wówczas ograniczone do 32 bitów, lepiej zatem było obliczać je samodzielnie). Poza tym nie należy zapominać o przybliżeniu obliczeń. finałem jest wynik dla sfery gazu wielkości około stu lat świetlnych, o gęstości zmieniającej się od 10^-20 g/cm³ do 10^-10 g/cm³.

Gęstość rosła kwadratowo. Pokazano tu tylko część centralną. Symulacja pokazuje również, że częstotliwość optyczna jest zaniedbywalna przy takich gęstościach materii.

Nie ukrywając, gdy wykonałem tą pracę, nikt mi nie wierzył, nawet ja sam sobie.

Wnioski

Jeżeli we Wszechświecie zjawiska ugięcia światła są takie, jak w bąblu gazowym z gradientem gęstości materii oraz refrakcji, wówczas, co ewidentne, jest zupełnie zbędnym, aby widząc soczewkę, za każdym razem odwoływać się do grawitacji. Jednakowoż te dwa zjawiska się nie wykluczają. A w tym przypadku dodają się i nakładają!

---

Autor: Bernard Lempel

Przetłumaczono z: KERR EFFECT IN OPTICS

Przetłumaczył: Łukasz Buczyński

Krzyż Einsteina, kość w soczewkowaniu grawitacyjnym

Idź precz, Szatanie! Einstein, twoje dzieci oszalały, wszędzie widzą miraże!

Krzyż Einsteina był pierwszym przykładem soczewki grawitacyjnej, jaki nam pokazano. Byliśmy pod wrażeniem jego wspaniałości oraz pół matematycznej formy tego zjawiska. Potem ujrzeliśmy wiele innych. Abell 2218 jest z pewnością jednym z najniezwyklejszych spektakli, jakie Wszechświat nam ukazał. Ale spójrzmy razem na ten słynny krzyż.

Oto ten obiekt, jakim mi go po raz pierwszy pokazano. Źródło: HST. Nie mieliśmy wątpliwości co do jego natury. Nawet mimo...

...pewnego sceptycyzmu, wyrażonego przez Jean-Claude Pecker we francuskim magazynie Science & Vie (numer specjalny 189).
To prawda, że należałoby się spodziewać tego, co na niedawnym zdjęciu z ESO, mianowicie zaokrągleń.

IQ 2237+0305

W nocy 10.04.1999, 3,5 metrowy teleskop WIYN (NOAO) wykonał powyższe zdjęcie. Przedstawia ono soczewkę grawitacyjną wyśrodkowaną na galaktyce spiralnej. To szczególnie p przyciąga naszą uwagę.

Nasuwa się pytanie: jak słabe światło odległej soczewki grawitacyjnej przechodzi przez centralny obszar galaktyki? Aby rozwikłać problem, poddaliśmy zdjęcie "torturom".
Oto wynik, z lewej.

Co mówi teoria?

Graf. 1. Soczewka grawitacyjna. Autor: Norbert Rumiano

Graf. 2. Autor: Bernard Lempel

• Jądro galaktyki, na pierwszym planie, jest źródłem grawitacji, umożliwiającym dalekie mu obiektowi (kwazar) pojawić się jako obraz soczewkowany grawitacyjnie. Wymagane jest, aby galaktyka była dość przejrzysta, aby obraz mógł się pojawić blisko jej jądra (graf. 1.).
• Istnieje masywny obiekt, zasłaniany przez galaktykę, czyli źródło grawitacji, pozwalające zaistnieć soczewce (graf. 2.) Zastrzeżenia są te same, co jak w pierwszym przypadku.
• Efekt soczewki powodowany jest nie tylko jądrem galaktyki, lecz również całą jej masą. Ale wówczas obiekcje są jeszcze większe. Im większa jest całkowita masa galaktyki, tym mniej jest ona przejrzysta. Aby to rozwiązać, niezbędne jest wprowadzenie przezroczystej, a zatem niewidocznej, ciemnej masy.

  Więcej o soczewkowaniu grawitacyjnym

• Inne przykłady soczewek grawitacyjnych
  1. Soczewka PG1115+080 (Subaru)
  2. Kwazar PG1115+080 (HST)
  3. Soczewki grawitacyjne PRC95-43 (HST)
  4. Gromada galaktyk Abell 2218 (HST)
  5. Inne obrazy soczewek z VLT

Czego teoria nie mówi?

• Oczywiście, światło odległych obiektów może się przebić przez dysk galaktyki. Mamy trochę przykładów w Drodze Mlecznej. Ale jak dotąd wiemy, nigdy przez jej jądro.
• Obiekt ten tylko przypomina soczewkę grawitacyjną. Jest czymś innym. Ale czym?
• Hipoteza 1: jest to jądro widocznej galaktyki, tyle, że wielokrotne.
• Alternatywa: jest to zwielokrotniony obraz tego samego jądra galaktyki.
• Hipoteza 2: obserwowany efekt jest spowodowany refrakcja na jednej lub wielu bankach gazu z gradientem gęstości, powiązanym z masą jądra galaktyki, a tym samym z gradientem refrakcji (efekt optyczny Kerra). Bańki te mogą się rozszerzać.

Co należy wyjaśnić

1. Czy gęstość jednego lub więcej bąbli plazmy, blisko jądra galaktyki, może wystarczyć do zaistnienia rozważanego efektu ugięcia?
2. Odpowiednie przesunięcie ku czerwieni różnych części jądra (z = 1.695) oraz galaktyki (z = 0.0394) wymagałoby poszukania efektu K, jak wskazał Halton Arp. Rozszerzanie się tych bąbli mogłoby również wyjaśnić te przesunięcia widmowe, szczególnie w obecności pola magnetycznego oraz szybkiego stygnięcia. Możliwe są również zjawiska optyczne, w rodzaju lasera lub masera.

Wnioski

Gęstość i gradient gęstości gazu w jądrach galaktyk mógłby być dostatecznie duży, aby wywołać mierzalny efekt refrakcji.

GAIA i Krzyż Einsteina

Krzyż Einsteina, HST + GAIA

W kwietniu 2016 roku, w 93 numerze Astronomie (SAF), opublikowano artykuł pod tytułem GAIA dwa lata w punkcie L2 (Catherine Turon & Frédéric Arenou), w którym to zaprezentowano Krzyż Einsteina na zdjęciu HST z nałożonymi pomiarami wykonanymi przez GAIA. Według autorów, obserwacje poczynione przez GAIA pasowały jak ulał do zdjęcia z HST.

Odkryliśmy, że zdjęcie to znajduje się na następujących stronach:
Gaia et la croix d'Einstein. (Paris-Meudon Observatory)
Gaia honours Einstein by observing his Cross. (ESA "Image of the week (09/04/2015).

Większość pomyłek w filozofii ma miejsce z powodu tendencji ludzkiego umysłu do brania dosłownie symboli.

(Albert Einstein, Kosmiczna Religia)

---

Autor: Bernard Lempel

Przetłumaczono z: A Gravitationnal Lens Snag, The Einstein Cross

Przetłumaczył: Łukasz Buczyński

Kość w ciemnej materii

Źródło: Françoise Combes

Grawitacja a obroty galaktyk

Obserwując prędkości obrotowe galaktyk, astronomowie szybko zauważyli rażącą, systematyczną anomalię: galaktyki nie obracały się tak, jak powinny. Obracały się z niemal stałą prędkością, innymi słowy, prędkość obrotowa była zbyt duża na ich peryferiach, niż wynikałoby to z wyliczeń na podstawie uniwersalnych praw grawitacji (zauważmy, że możemy założyć przeciwieństwo: prędkość jest niewystarczająca idąc ku centrum galaktyk).

Sugeruje to istnienie niewidocznej, ciężkiej materii, ciemnej materii, rozmieszczonej w postaci halo wokół galaktyk, zawierające ponad 90% ich masy. Pokazuje to graf powyżej.

Stosowano nawet modyfikacje grawitacji przy małych intensywnościach (MOND).

Na ilustracji powyżej, kropkowana na zielono linia pokazuje prędkość rotacji dysku D, czarna kropkowana linia odpowiada prędkości obrotowej bańki B.

Kombinacja, w postaci czerwonych piktogramów, jest pomiarem prędkości gazu (atomowego wodoru) w pobliżu galaktyki.

Przyznajemy, że gaz faktycznie pasuje do poziomej niebieskiej linii, reprezentującej sumę prędkości wszystkich komponentów Drogi Mlecznej. Używamy tej charakterystyki jako wskazówki, że prędkość gazu jest dobrym przybliżeniem prędkości obrotowej galaktyki. Ale aby wyjaśnić tą płaską krzywą prędkości obrotowej, należy wziąć pod uwagę halo H, reprezentując tajemniczą ciemną materię (brązowe kropki).

Powyżej:

1. Krzywa rotacji zaobserwowana dla NGC 2403 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).
   Źródło: Begeman (1987)
2. Krzywe rotacji zaobserwowana dla NGC 5033 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).
3. Krzywe rotacji zaobserwowana dla NGC 5371 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).

Jak widać, wydaje się, że we wszystkich galaktykach komponent gazowy zawsze ma krzywą rotacji odmienną od krzywej rotacji dysku.

Ponownie też zauważmy, że wyjaśnienie zawsze wymaga obecności halo z hipotetycznej ciemnej materii.

Pytanie

Dlaczego obserwujemy odmienne prędkości obrotowe dla różnych komponentów galaktyki? A szczególnie odnośnie dysku oraz gazu?

Czy wolno, z punktu widzenia fizyki, dodawać te prędkości i prezentować średnią?

Problem

1. Pierwszym obiektem jest dysk, złożony z masywnych obiektów (gwiazdy, planety, pył, etc.)
2. Drugim jest gaz, złożony z wodoru atomowego o małej gęstości, wykrywalnego tylko dzięki byciu zjonizowanym, oraz częściowo lub mniej, z cząsteczkowego wodoru lub helu.

Źródło: NASA/WMAP

Jaka różnica fizyczna może wyjaśnić różne prędkości obrotowe?

Oba komponenty są wrażliwe na grawitację. Jednak gaz, w przeciwieństwie do dysku, jest niezmiernie rozrzedzony oraz zjonizowany, co czyni go bardzo wrażliwym na pole magnetyczne galaktyki! Owo pole jest bardzo słabe, rzędu 0,8 µG. Obejmuje jednak całą galaktykę oraz okolicę. Zatem w wielkiej skali, jego wpływ na gaz staje się dominujący w porównaniu z grawitacją.

Wnioski:

1. Prędkości obrotowe gazu nie są dobrą miarą prędkości obrotowej galaktyki.
2. Z drugiej strony, prędkość obrotowa gazu jest dobrą wskazówką na istnienie galaktycznego pola magnetycznego.
3. Dodawanie prędkości komponentów galaktyki do postaci średniej jest ciężkim koncepcyjnym błędem. Jest to błąd fizyczny, podobny do sumowania prędkości silnika parowego i dymu z jego paleniska.
   
4. Nie potrzebujemy ciemnej materii do wyjaśnienia prędkości obrotowej galaktyk.

A co z gromadami galaktyk?

Źródło: HST

W każdej gromadzie galaktyk obserwujemy soczewkowanie grawitacyjne. Ujawnia nam ono istnienie odległych obiektów, których światło jest zakrzywiane (w sensie refrakcji) przez masę gromady.

Obliczenia (relatywistyczne) pozwalają nam obliczyć masę gromady. Ale tak obliczona masa jest znacznie większa od masy wynikającej z obserwacji.

Konflikt ten wydaje się dawać rozwiązać istnieniem ciemnej materii, lub ponownie modyfikacją praw grawitacji przy małych intensywnościach w dużej skali (MOND).

Źródło: Chandra

Obserwatorium Rentgenowskie Chandra dało nam wiele zdjęć gromad galaktyk. Abell 1689 jest dobrym przykładem. Widzimy, że ta gromada znajduje się wewnątrz ogromnego obłoku gazu. Jest on wzbudzony światłem galaktyk, a więc zjonizowany.

Czy jest on jednak pod wpływem, jak każdy inny, pola magnetycznego? Tak, istotnie, zgodnie z pewnymi obserwacjami (pole magnetyczne gromady galaktyk). Owe pola magnetyczne mają wartość zwykle ok 1 µG. Ale w tym wypadku ciemna materia, w której obecność w gromadzie niektórzy wierzą, jest tylko błędem w interpretacji.

Potrzebne jest wyjaśnienie, jak powstają soczewki grawitacyjne. Ale czy faktycznie są one grawitacyjne?

Czy nie można rozważyć soczewki optycznej? Czy obłok gazu jest dostatecznie gęsty, aby nas zmylić? Albo, po prostu, czy w tej skali, czy dostateczna jest liczba atomów, które światło napotka na swojej drodze? Albo, czy wciąż sławne pole magnetyczne, za który się rozglądamy, zakrzywia światło?

Źródło: HST

Rdzeń z ciemnej materii bez wyjaśnienia na zdjęciu gromady Abell 520, opublikowanym przez HST 2 marca 2012. Pytanie: czy tutaj też chodzi o zjonizowany gaz w polu magnetycznym?

Źródło: ESO

18 kwietnia 2012, ESO opublikowała, pod tytułem Poważny cios w teorię ciemnej materii?, obserwacje uczynione wokół Słońca oraz wewnątrz galaktyki przez zespół astronomów w Chile, które pokazały, że teoria ciemnej materii nie zgadza się z faktami. Możemy się wiec założyć, że próby bezpośredniego wykrycia cząstek ciemnej materii za Ziemi nie przyniosą efektu. Jest to najdokładniejsze studium, nigdy nie docenione, nad ruchem gwiazd w Drodze Mlecznej. Nie znaleziono dowodów na obecność ciemnej materii we względnie dużej strefie wokół Słońca.

Źródło: Chandra

24 września 2012, NASA opublikowała obserwacje rentgenowskie dr Anjali Gupta et al teleskopem Chandra, pod tytułem Chandra pokazuje, że Droga Mleczna otoczona jest gorącym gazem. Obserwacje te pokazują, ponownie, że lepiej jest ufać obserwacjom aniżeli symulacjom.

Dalsze obserwacje tego rodzaju, zrobione na innych galaktykach lub ich gromadach, mogą wyeliminować definitywnie hipotezę ciemnej materii jak również MOND.

Pytanie:

Czy nasza galaktyka jest wyjątkowa?

Dokumentacja:

1. The Dark Matter Myth - Magnetic Fields and Galactic Rotation Curves (Thomas Smid)
2. SPH simulations of magnetic fields in galaxy clusters (Dolag K. Bartelmann M. Lesch H.)
3. The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications (Plik PS, do odczytania przez GhostScript, lub przekonwertowania na format PDF Adobe Acrobat)
4. Birth Control for Stars
5. Anchoring Magnetic Field in Turbulent Molecular Clouds
6. L'Univers des Galaxies - Daniel Benest, Alain Blanchard, Lucie Bottinelli, Suzy Collin, Claude Froeschlé, Lucienne Gouguenheim, Jean Lefèvre et Laurent Nottale - Chez HACHETTE - Collection les Fondamentaux.
7. Hydrodynamique . Physique - Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit - EDP SCIENCES.
8. The Baryonic Tully-Fischer Relation. (Stacy McGaugh).
9. IAP-CNRS (Roger Ferlet) A fast history and a summary of the results of the observations).
10. Accepted view of Universe challenged by astronomer.
11. EdgeviewSpace.
12. Les Données de BOOMERanG suggèrent un Univers purement Baryonique (Stacy McGaugh).
13. L'image Astronomique du Jour, Logarithmic Spirals Isabel and M51. A link which could be justifiable.
14. Propriétés et origine des reliques radio dans les amas de galaxies. (Chiara Ferrari).
15. arXiv:astro-ph/0308518 v1 28 Aug 2003 - A Dearth of Dark Matter in Ordinary Elliptical Galaxies. Aaron J. Romanowsky, Nigel G. Douglas, Magda Arnaboldi, Konrad Kuijken, Michael R. Merrifield, Nicola R. Napolitano, Massimo Capaccioli, Kenneth C. Freeman.
16. June 27th, 2005, On a retrouvé la matière noire dans les galaxies elliptiques ! But we did not still find the slightest sample of black matter.
17. Observational Cosmology: caveats and open questions in the standard model (Martín López-Corredoira - 01/06/2006).
18. New May 11th, 2010, We did not still find the slightest sample of black matter: First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment.
    And also: Early Results from Large Dark Matter Detector Cast Doubt on Earlier Claims.
19. New Serious Blow to Dark Matter Theories?
    Zobacz streszczenie (źródło: ESO).

Mając dwie możliwości, naukowcy mają tendencję do wyboru tej niewłaściwej.

– Halton Arp

---

Autor: Bernard Lempel

Przetłumaczono z: A Black Snag in the Black Matter

Przetłumaczył: Łukasz Buczyński

Napisy do filmu "Symbole obcego nieba, cz. 3 - komety"

Film jest trzecią częścią serii Symbole obcego nieba Davida Tablotta.

Napisy do filmu w formacie vtt dostępne są na dysku google (mam nadzieję) pod tym linkiem: link.

Update:

Napisy zostały oficjalnie dodane, więc nie trzeba ich specjalnie pobierać. W dodatku jest to poprawiona wersja.