Гравитационные линзы на службе астрономии⁠⁠

Ученые освоили множество способов изучения Вселенной. Один из них основан на наблюдении за поведением света, проходящего вблизи массивных объектов, и называется «гравитационным линзированием». И если мы когда-нибудь детально разглядим поверхности далеких планет, то, скорее всего, благодаря ему.

Принцип гравитационного линзирования

Представьте объект, являющийся источником света, – звезду, галактику или ярчайший квазар. Мы ожидаем, что к наблюдателю на Земле свет от него должен дойти по hüpfburg mit rutsche прямой. Но если на прямой линии между нами и объектом в космосе будет расположен другой объект, то он заслонит от нас источник света.

Однако если объект-препятствие достаточно массивный, то он будет играть роль гравитационной линзы. Его сильное гравитационное притяжение будет изгибать vendita giochi gonfiabili световые лучи от источника, идущие мимо него в других направлениях. Те фотоны, которые изменят свою траекторию под влиянием такой гравитационной линзы и направятся в сторону Земли, сформируют для наблюдателя изображение объекта.

Гравитационное поле очень массивного объекта, такого как планета, звезда, галактика, кластер галактик или даже черная дыра, имеет очень сильное притяжение. Проходящие мимо лучи света попадают в его гравитационное поле, изгибаются и меняют направление своего движения. Возьмем два луча света, идущие от удаленного от нас источника света. Пройдя по разные стороны массивного объекта, заслоняющего этот источник света от нас, они отклоняются от прямого пути и могут сойтись в точке нахождения наблюдателя.

На самом деле таких лучей неисчислимое множество, и в итоге они сформируют для наблюдателя совершенно причудливое изображение первоначального объекта. А так как свет от источника, обогнув гравитационную линзу, может прийти с разных сторон, то и наблюдатель может увидеть два или несколько изображений одного и того же объекта.

Предположение о том, что свет может отклоняться в поле тяготения массивного объекта, впервые было высказано Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности. В 1912 году Эйнштейн предположил, что свет звезд должен отклоняться от своего пути, когда он проходит через гравитационное поле Солнца.

Его идея была впоследствии проверена во время полного солнечного затмения в мае 1919 года Артуром Эддингтоном. Затмение позволило наблюдать звезды вблизи Солнца. Сам по себе эффект оказался невелик, луч света от звезды, проходя мимо солнечного лимба, отклонился всего на 1,75 угловые секунды. Но наблюдения показали, что предположение Эйнштейна верно.

Сама же идея гравитационного линзирования в научной литературе была упомянута в 1924 году российским ученым Орестом Даниловичем Хвольсоном. Однако численные оценки явления были проведены Альбертом Эйнштейном в 1936 году. Сегодня гравитационное линзирование используется для изучения многих явлений и объектов в дальних уголках Вселенной.

Эффекты гравитационного линзирования могут вызывать многие объекты, в том числе звезды и планеты, хотя их довольно трудно обнаружить при наблюдении с Земли. Гравитационные поля галактик и галактических кластеров могут создавать более заметные эффекты линзирования. Недавно выяснилось, что и темная материя, которая имеет гравитационный эффект, также может вызвать линзирование.

Двойной квазар Twin Quasar (QSO 0957+561) Типы гравитационного линзирования

Выделяют три типа гравитационного линзирования: сильное, слабое и микролинзирование. Сильное вызывает легко видимые искажения, такие как образование колец Эйнштейна, дуг или нескольких изображений одного и того же объекта. Сильное линзирование часто позволяет увидеть очень далекие галактики такими, какими они были в далеком прошлом.

Это дает ученым представление о том, какие условия были миллиарды лет назад. Оно также увеличивает свет от очень отдаленных объектов, таких как самые ранние галактики, и часто дает астрономам представление о жизни галактик еще в юности. При слабом гравитационном линзировании искажения фоновых источников намного меньше, и они могут быть обнаружены только путем анализа большого количества источников статистическим способом. Однако слабая линзировка используется для определения количества темной материи во Вселенной. Это невероятно полезный инструмент для астрономов, помогающий понять распределение темной материи в космосе.

В случае микролинзирования искажения формы объекта, как при сильном линзировании, не видны, но количество света, полученного от фонового объекта, изменяется во времени. Это происходит, например, когда одна звезда проходит на линии зрения точно перед другой, более удаленной звездой или иным объектом.

Гравитация более близкой звезды искривляет лучи света, идущие от фонового объекта, в результате он на какое-то время (несколько недель или дней) будет казаться наблюдателю с Земли ярче, чем обычно. Гравитационная линза влияет не только на видимый свет, она одинаково действует на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.

Первая гравитационная линза

Первая гравитационная линза (если не считать эксперимента во время солнечного затмения 1919 года) была открыта в 1979 году, когда астрономы нашли нечто, получившее название Twin QSO. Первоначально астрономы полагали, что этот объект может быть парой очень похожих квазаров. Оба квазара были необычно близки друг к другу, и их красное смещение и спектр видимого света были на удивление похожими.

Но после тщательных наблюдений с помощью 2,1-метрового оптического телескопа в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне астрономы смогли выяснить, что на самом деле это один и тот же объект. Мы видим два его изображения, потому что свет квазара на пути к нам прошел вблизи галактики YGKOW G1, которая находится на расстоянии 4 миллиарда световых лет от Земли. Сам же квазар удален от нас на 8,7 миллиарда световых лет.

Снятая телескопом «Хаббл», так называемая «космическая подкова» – гигантская эллиптическая галактика на z=0,45, линзирующая карликовую галактику на z=2,38 / ©Lensshoe_hubble

Эти наблюдения были сделаны в оптическом диапазоне. Однако позднее команда во главе с Дэвидом Робертсом обнаружила различия между двумя изображениями квазара в радиочастотных изображениях, что внесло некоторые сомнения в предыдущую версию. В середине 1979 года ученые, используя радиотелескоп VLA (Very Large Array), расположенный в штате Нью-Мексико (США), обнаружили релятивистскую струю, выходящую из квазара A без соответствующего эквивалента в квазаре B.

Кроме того, расстояние между двумя изображениями в 6 угловых секунд показалось им слишком велико, чтобы объяснить его гравитационным эффектом галактики YGKOW G1. Но дальнейшие наблюдения с применением радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, проведенные командой ученых во главе с Марком Горенштейном в 1983 году, выявили по существу идентичные релятивистские струи как от квазара A, так квазара B, что говорит о том, что это все-таки два изображения одного и того же объекта.

Небольшие спектральные различия между квазаром A и квазаром B могут быть объяснены разной плотностью межгалактической среды на путях света, что приводит к различному гашению света, то есть поглощению и рассеянию электромагнитного излучения веществом (пылью и газом), находящимся в межзвездном пространстве, так называемой межзвездной экстинкцией. 30 лет наблюдений дали понять, что изображение А квазара достигает Земли примерно на 14 месяцев раньше, чем соответствующее изображение В, что приводит к разнице в длине пути в 1,1 световых года.

Кольца Эйнштейна

С тех пор было обнаружено несколько десятков гравитационных линз, в фокусе которых случайно оказалась наша планета. Наиболее известным видимым результатом гравитационного линзирования является кольцо Эйнштейна. В случае когда удаленный источник, гравитационная линза и телескоп на Земле выстраиваются в линию, астрономы могут видеть кольцо света вокруг изображения объекта, создавшего гравитационную линзу. Эти кольца света называются «кольцами Эйнштейна», реже – «кольцами Хвольсона-Эйнштейна».

Для науки кольца Эйнштейна интересны тем, что они дают возможность подробно рассмотреть очень далекие объекты, их структуру и идущие там процессы. Без случайно образовавшейся гравитационной линзы мы бы не смогли их увидеть. Более близкий объект срабатывает как линза, увеличивая видимый размер удаленного.

Однако исходный источник света будет наблюдаться в виде кольца вокруг массивного объекта линзирования, только если сам источник света, линза и наблюдатель находятся на одной линии. В случае отклонения взаимного расположения объектов от прямой, наблюдателю будет доступен только участок дуги.

Крест Эйнштейна

Крест Эйнштейна, наблюдаемый в созвездии Пегаса, на самом деле представляет собой четыре изображения одного квазара с галактикой-линзой в центре. Для его визуального наблюдения необходим телескоп с полуметровым диаметром объектива. Сам квазар Q2237+030 располагается примерно в 8 миллиардах световых лет от Земли, а линзирующая галактика ZW 2237+030 – в 20 раз ближе: в 400 миллионах световых лет от нас.

Крест Эйнштейна – четыре изображения далекого квазара обрамляют близкую галактику, служащую в данном случае гравитационной линзой / ©NASA

Изображений четыре, так как ядро галактики-линзы обладает так называемым квадрупольным распределением плотности. Гравитационные поля многих объектов в космосе не обладают сферической симметрией, поэтому в результате гравитационного линзирования может появиться несколько изображений одного объекта.

Миссия к солнечному фокусу

Сегодня мы наблюдаем гравитационные линзы с Земли и с космических обсерваторий на орбите. Мы не можем выбирать желаемый объект для наблюдения. И если бы мы хотели, например, рассмотреть с помощью гравитационной линзы окрестности какой-либо звезды, нам следовало бы отправить телескоп в определенную точку космического пространства, которая находилась бы на одной линии с интересующим нас объектом и достаточным по массе объектом, создающим гравитационную линзу.

Но почему бы и нет? Подходящий объект, который может создать гравитационную линзу, – это Солнце. Вспомним эксперимент, проведенный Артуром Эддингтоном. Траектории лучей света, проходящих мимо солнечного лимба, отклонились, а следовательно, они рано или поздно сойдутся.

Минимальное расстояние, на котором это произойдет, равно примерно 550 астрономическим единицам от Солнца.

Сигнал от звезды в этой точке будет усилен многократно. Как считают ученые, если установить в этой точке телескоп, то вокруг Солнца можно будет увидеть яркое кольцо – кольцо Эйнштейна, так будет наблюдаться усиленный сигнал интересующей нас звезды. К слову, такой фокус есть и у нашей планеты, но, по понятным причинам, он находится гораздо дальше, на расстоянии в 13 000 астрономических единиц от нее.

Еще в 1979 году физик Вон Эшлеман из Стэнфордского университета предложил создать космический аппарат, который можно было бы отправить в гравитационный фокус Солнца. Новую жизнь в эту идею вдохнул итальянский астроном Клаудио Макконе, предложивший в 1992 Европейскому космическому агентству миссию FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), предполагающую отправку космического аппарата в гравитационный фокус Солнца.

Макконе полагает, что это позволит получить нам уникальные данные об интересующих нас планетных системах, вплоть до получения подробных изображений поверхностей экзопланет. Как отмечает Макконе, использование звезд в качестве гравитационных линз является логичным следующим шагом для астрономов, который даст нам поистине неповторимые возможности. «Каждая цивилизация получает от Вселенной великий дар: объектив такой силы, который никакая разумная технология не могла бы повторить или превзойти. Этот объектив – звезда цивилизации. В нашем случае наше Солнце», – говорит Макконе.

Источник: Naked Science