Космический плацдарм Постулаты относительности мира
Гравитационные линзы

Подобно миражам, которые путешественники встречают в пустынях, в космосе существуют свои миражи. Они возникают, когда свет от отдаленных объектов отклоняется, изгибается и даже усиливается гравитационным полем массивных объектов, таких как галактики, галактические скопления и черные дыры. Большая масса объекта способна создать эффект линзы. На изображении внизу показано, как лучи света (обозначенные серыми стрелками), исходящие из отдаленной спиральной галактики, отклоняются, проходя мимо объекта с большой массой, например галактического скопления (шар, окруженный голубым сиянием, в центре изображения). Когда этот свет наконец достигает Земли, то создается впечатление, что он пришел с несколько иного направления (обозначенного красными стрелками). Форма обычной спиральной галактики при этом также изменилась. В данном случае галактическое скопление ведет себя как гигантское увеличительное стекло, или гравитационная линза, увеличивая и искажая изображение отдаленной галактики.

Гравитационными линзами называют астрономическое явление, при котором изображение какого-либо

Если линза сферическая, то наблюдаемое изображение имеет вид "кольца Эйнштейна", то есто светящегося кольца. Гравитационное поле, отклоняя лучи света, действует, подобно собирательной линзе.

Если линза вытянутая, то изображение получается в виде "креста Эйнштейна". Когда источник, линза и наблюдатель находятся на одном луче зрения, изображения зависят от формы объекта, создающего гравитационную линзу.

Если в качестве линзы выступает галактическое скопление, то изображение разбивается на части дугообразной формы. В отличие от привычных линз "фокусное расстояние" гравитационных оказывается очень большим.

Три вида эффектов от гравитационных линз

удаленного источника (звезды, галактики, квазара) оказывается искаженным из-за того, что луч зрения между источником и наблюдателем проходит вблизи какого-то притягивающего тела (другой звезды, галактики и даже скопления галактик). Термин «гравитационная линза» появился, по всей вероятности, в 20-е годы ХХ века, когда резко возрос интерес ученых к проблеме преломления света в гравитационном поле как к эффекту, предсказанному общей теорией относительности А. Эйнштейна и обнаруженному экспериментальной группой английских астрономов во главе с А. Эддингтоном во время полного солнечного затмения, происходившего 29 мая 1919 года. Именно тогда изображения звёзд, видимые вблизи края солнечного диска, немного сместились относительно своих обычных мест, а величина этого смещения находилась в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.
Ближайшая к Солнцу точка его фокуса расположена в 550 раз дальше 3емли, а потому наблюдать с 3емли линзовый эффект поля тяготения Солнца нельзя. Хотя в принципе гравитационной линзой может стать любая звезда при условии, что она находится на луче зрения между наблюдателем и удаленным источником, вот только вероятность осуществления такой конфигурации крайне мала из-за низкой плотности звезд в нашей Галактике. А потому никто и не надеялся на то, что изображение, «построенное» гравитацией, будет когда-либо обнаружено в природе. Появилось лишь несколько теоретических работ, посвященных тому, как должно выглядеть изображение звезды, если между ней и наблюдателем окажется другая звезда или линза.
Тогда согласно предположениям такая звезда будет экранировать прямые лучи от источника, а к наблюдателю попадут только те лучи, которые преломлены в ее поле тяготения по образующим конуса. Изображение же источника будет выглядеть ярким кольцом (названным «кольцом Эйнштейна»), окружающим диск фокусирующей звезды. Угловые размеры как фокусирующей звезды, так и кольца очень малы, и увидеть их в отдельности невозможно даже в лучшие наземные телескопы. Дaжe при незначительном смещении наблюдателя в сторону симметрия нарушается, светящееся кольцо разрывается на две дуги, которые по мере удаления от оси будут стягиваться в маленькие кружочки. Это значит, что пока наблюдатель находится в области фокусировки, он будет видеть вместо одной звезды дна ее изображения по разные стороны от звезды-линзы. К тому же и сама фокусирующая звезда может являться мощным источником света, так как расположена относительно наблюдателя гораздо ближе изображаемого ею объекта и ее ослепляющее действие можно преодолеть только в том случае, если она заметно усиливает яркость изображения источника. Любые нарушения симметрии поля тяготения звезды и ее вращение уменьшают его фокусирующее действие и затрудняют обнаружение линзового эффекта от одиночных звезд.
Однако в 1937 году американский астроном Фриц Цвикки пришел к выводу, что роль линзы могут играть не только отдельные звезды, но и целые галактики. В этом случае угловые расстояния между изображением источника и гравитационной линзой настолько увеличиваются, что оказываются в пределах разрешающей способности современных телескопов.
Обнаружить эффект гравитационного линзирования во Вселенной астрономам помогли квазары - одни из самых далеких и ярких объектов Вселенной. Чем дальше находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения между ним и наблюдателем появится какая-нибудь галактика. В 1979 году группа астрономов из Англии и CШA получила спектры двух компонентов квазара QSO 0957+561, удаленного от нас более чем на 8 млрд. световых лет. Астрономы были поражены практически полной идентичностью их спектров и красного смещения. Вот только колебания яркости компонентов происходили не одновременно, а с разницей приблизительно в один год. Поэтому астрономы склонились к мнению, что два компонента квазара QSO 0957+561 - это всего лишь кажущийся эффект. На самом же деле существует лишь один квазар, а его двойное изображение является результатом действия гравитационной линзы, находящейся между наблюдателем и квазаром. В результате длительных наблюдений была обнаружена эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии более 3 млн. световых лет от Земли, которая и разделила надвое своей гравитацией излучение квазара. Галактика-линза немного смещена в сторону от линии Земля-квазар, поэтому ход лучей в системе несимметричен: фотоны, огибающие галактику с одной стороны, должны преодолевать гораздо большее расстояние, чем фотоны, огибающие ее с другой, потому-то и прибывают они к наблюдателю с опозданием в год.
Конечно, гравитационная линза - «плохая» линза в том смысле, что у нее нет хорошего фокуса, где можно получить неискаженное изображение. Ведь структура изображений зависит от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя, а также массы и формы линзы. Наиболее экстремальное искажение света имеет место тогда, когда линза очень массивна и линзируемый источник достаточно близок к ней. В конце 80-х годов прошлого столетия стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что слабые голубые галактики, находящиеся за линзирующим скоплением, имеют вытянутые дугообразные формы. Классический пример такой картины - снимок скопления галактик Абелл 2218, полученный космическим телескопом «Хаббл».
В простейшем случае, когда размеры источника и линзы невелики, изображение источника «размножается» на два и более компонентов. Примером тому может служить знаменитый квазар «крест Эйнштейна», расстояние до которого оценивается в более чем 8 млрд. световых лет. Изображение самого квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними - линзирующая галактика, расположеная примерно в 20 раз ближе квазара. В общем случае расстояния, которые проходит свет, создающий разные изображения одного и того же объекта до наблюдателя, неодинаковы.
Часто линзу не удается обнаружить оптическими наблюдениями и искажение изображения далекого исследуемого источника излучения является единственным свидетельством того, что на луче зрения между ним и наблюдателем присутствует большое скопление вешества. Так, фотографии квазара MG2016+122 из созвездия Дельфина говорят о том, что свет от него преломляется мощной гравитационной линзой, однако наблюдения на самых мощных оптических телескопах не смогли обнаружить ничего, что могло бы вызывать отклонения света квазара! Изучить галактику выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить ее влияние на изображение квазара. Слабое изображение галактики часто тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они - суперслабые).
Гравитационные микролинзы

Гравитационные линзы могут пролить свет на самые «темные» тайны Вселенной. В конце 1997 года астроном М. Хокинс заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое предположение он основывает на том, что при изучении восьми пар изображений гравитационно линзированных квазаров ему только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных же шести пар оптических следов гравитационной линзы - галактики обнаружено не было. А судя по искажению изображений, эти линзы по массе не уступают нашей Галактике. Поэтому Хокинс и его коллеги считают, что им удалось открыть «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Если это действительно так, то открытие поможет решить загадку скрытой массы.
Скрытой массой (или, иначе, темной материей) называют вещество неизвестной природы, которое взаимодействует с обычным (видимым) веществом практически только посредством сил гравитации. Звезды как в нашей, как и в других спиральных галактиках вращаются так, словно большая часть массы этих систем сосредоточена не в диске, а в обширном несветящемся гало, протяженность которого, по некоторым данным, может превышать размеры диска в десятки раз. Одно из объяснений этого парадокса заключается в том, что гало типичной дисковой галактики заполнено объектами, названными МАСНО

На этом снимке, полученном телескопом «Хаббл», видны несколько голубых петлеобразных объектов, которые являются размноженными изображениями одной и той же галактики. Они размножены гравитационной линзой - скоплением спиральных и эллиптических галактик (желтого цвета), имеющих название 0024 + 1654. На этом изображении свет от отдаленной галактики отклоняется, когда он проходит вблизи скопления, разделяя изображение галактики на пять частей. Искажается также форма галактики: из обычиой спиральной она приобретает вид вытянутой дуги. Скопление находится на расстоянии 5 млрд. световых лет в созвездии Рыб, а голубая галактика - на вдвое большем расстоянии.

Тайна гравитационной линзы: прохождение лучей

На изображении в кадре, полученном телескопом Хаббл, видна очень маленькая слабосветящаяся галактика, недавно открытая совместными усилиями космического телескопа и наземными телескопами Кек на Гавайях с помощью галактического скопления Abell 2218, которое выполняет роль гравитационной линзы, усиливая свет в 30 раз. Без участия этого скопления открытие блока (13,4 млрд св лет), было невозможно. Все в поле зрения изображения покрыто тонкими дугами - искаженными галактиками находящимися за скоплением. Многие из этих галактик находятся во много раз дальше чем само скопление. Видны они стали благодаря гравитационной линзе.

(Massive Astrophysical Compact Наlо Оbjects - массивные астрофизические компактные галообъекты). К ним относятся слабосветящиеся звезды, или коричневые карлики (с массой, меньшей чем 0,08 массы Солнца, в недрах которых никогда не происходят термоядерные реакции), белые карлики - планеты с массами до одной тысячной массы Солнца, нейтронные звезды в неактивной стадии и черные дыры.
Согласно оценке Богдана Пачинского число темных тел в гало Галактики должно быть весьма велико, так что вероятность того, что звезда одной из ближайших галактик почти точно спроектируется на темное тело, составляет порядка одной миллионной. И хотя эта вероятность чрезвычайно мала, наблюдая одновременно миллионы звезд в небольшой компактной области неба с помощью панорамных приемников излучения, можно надеяться на достаточно частую регистрацию вспышек звезд, вызванных эффектом микролинзирования. А по длительности и частоте подобных событий можно судить о вкладе темных тел гало Галактики в полную массу невидимого вещества. Это, конечно, очень важный вывод: если МАСНО - объекты существуют, микролинзирование является подходящим методом для обнаружения темной материи, за которой астрономы охотятся в последние десятилетия.
Большие и Малые Магеллановы Облака - самые ближайшие наши соседи и самые яркие галактики на небе. Они выглядят как два туманных облачка, хотя эти облачка содержат миллиарды звезд и поэтому являются потенциальными целями для микролинзирования. Если бы между нами и Магеллановыми Облаками не было никаких тел, способных создавать эффект гравитационной микролинзы, то, наблюдая за звездами, мы получали бы информацию об их собственной переменности блеска. Но если между нами и звездами этик галактик время от времени пролетают неизлучающие или слабосветящиеся массивные тела (например, старые холодные белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или планеты типа Юпитера), то появляется вероятность того, что при достаточно долгом времени наблюдения такое темное тело «пролетит» настолько близко к лучу от одной из звезд Магеллановых Облаков, что блеск последней сначала резко увеличится, а затем уменьшится абсолютно симметрично за время такого близкого пролета. Очевидно, чем плотнее звездное поле, тем дольше можно следить за каждой из звезд и тем больше шансов обнаружить темные тела. Звезды Больших и Малых Магеллановых Облаков могут быть линзированы главным образом объектами Галактического гало. Другой потенциальной целью для микролинзирования является Галактический балдж - большое скопление звезд в окрестности галактического центра. В этом случае можно ожидать эффектов микролинзирования очень малыми объектами массой около одной миллионной массы Солнца.
Группа американских и австралийских ученых, назвавшая свой эксперимент МАСНО, проводила наблюдения на обсерватории Mount Stromlo в Австралии, вблизи Канберры, с использованием телескопа, в фокусе которого установлен панорамный фотоэлектрический приемник, позволяющий одновременно регистрировать и анализировать с помощью компьютера блеск около миллиона звезд. Помимо этого, группа МАСНО наблюдала также звезды в направлении на центр Галактики и Большого Магелланова Облака. Члены группы, следившие за блеском более 10 млн. звезд, зафиксировали два десятка открытых ими событий микролинзирования. Причем обычные звезды Галактики за все время наблюдений могли бы дать одно, максимум два события, а потому учеными был сделан вывод, что линзы находятся в гало Галактики. Продолжительность же уярчения фоновой звезды позволила оценить массу микролинз, которая составляла примерно 0,5 массы Солнца. Удалось также в процессе наблюдения отождествить источник одного из событий микролинзирования со слабой звездой, но не из гало Галактики, а из дискового населения.
Звезда-линза была найдена на снимках с телескопа «Хаббл» спустя б лет после наблюдения явления микролинзирования, длившегося долго - блеск далекой голубой звезды в БМО был выше нормы около 100 суток. На снимке с «Хаббла» была обнаружена близкая (на расстоянии 200 пк от нас) красная звезда класса М с массой около 0,1 массы Солнца. Спектральный анализ подтвердил наличие линий этой слабой звезды на фоне спектра голубой звезды из Большого Магелланова Облака.
На первом этапе группа МАСНО использовала небольшой телескоп обсерватории Mount Stromlo в Австралии. Теперь же идет новый, 5-летний цикл наблюдений на мощном 4-метровом телескопе, установленном в Чили. Он позволит резко увеличить статистику явлений микролинзирования и с гораздо более высокой степенью надежности поможет установить, какую долю в этих явлениях составляют видимые звезды.
Совместный проект французских и чилийских ученых, названный EROS, состоит из двух программ. Первая из них предусматривает поиск объектов с массой от 0,0001 до 0,1 массы Солнца, время линзирования которых заключено в пределах от 1 до 30 дней. Наблюдения проводились в Чили на широкоугольном 50-см телескопе вначале с помощью фотографической методики, а затем с помощью фотоэлектрического ПЗС-приемника. За несколько лет было изучено приблизительно 10 миллионов звезд. Вторая программа направлена на поиск объектов, имеющих до 0,001 массы Солнца с временем линзирования от 1 до 3 дней. Для этих наблюдений 150 000 звезд просматривались каждые 20 минут.

Проект наблюдения микролинзирования в астрофизике (МОА) - совместный эксперимент Японии и Новой 3еландии - был начат в 1995 году. Наблюдения группы МОА проводятся в Новой Зеландии. Чтобы лучше оценить пространственное распределение темных тел в Галактике, необходимо наращивать число наблюдений явлений микролинзирования не только в направлении на БМО, но и в других направлениях. С этой целью группа астрономов Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга МГУ начала поиск эффектов микролинзирования звезд галактики в созвездии Андромеда, которая расположена на Северном небе и доступна для наблюдений с обсерваторий России и стран СНГ. К настоящему времени число обнаруженных явлений микролинзирования превышает 50. Анализ результатов наблюдений БМО позволяет предположить, что по крайней мере половина скрытой массы гало Галактики обязана своим происхождением вкладу маломассивных звезд и коричневых карликов. Наблюдения микролинзирования звезд с высокой фотометрической точностью дают принципиальную возможность обнаружения не только темной материи, но также и планетных систем у звезд. Открытие эффектов микролинзиронания было сделано на небольших наземных телескопах простыми и дешевыми средствами. Наряду с обнаружением эффектов микролинзирования были получены высокоточные кривые блеска многих десятков тысяч переменных звезд разных типов, что является важным вкладом в проблему изучения переменных звезд. Гравитационные линзы - весьма многообещающее явление, способное привести к самым неожиданным открытиям как в нашей Галактике, так и в самых далеких уголках Вселенной. Оно уже стало независимым и крайне важным астрономическим методом, с помощью которого можно получать ценную информацию о загадочной темной материи, измерять ключевые космологические параметры и наблюдать новые эффекты в движении небесных тел, которые невозможно увидеть традиционными астрономическими методами.

Направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза .

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение нереально. Если же объект-линза не яркий или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются микролинзированием . Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и не видимые никаким иным способом плотности материи.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования каустик для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне вписывается в предположение, что оба тела сферической формы. Однако в 2-3 % всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях . Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069 . Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.

Теория

Уравнение гравитационного линзирования

Гравитационную линзу можно рассматривать как обычную линзу, но только с коэффициентом преломления, зависящим от положения. Тогда общее уравнение для всех моделей можно записать следующим образом :

где η - координата источника, ξ - расстояние от центра линзы до точки преломления (прицельный параметр) в плоскости линзы, D s , D d - расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, D ds - расстояние между линзой и источником, α - угол отклонения, вычисляемый по формуле:

где Σ - поверхностная плотность, вдоль которой "скользит" луч. Если обозначить характерную длину в плоскости линзы за ξ 0 , а соответствующую ей величину в плоскости источника за η 0 =ξ 0 D s /D l и ввести соответствующие безразмерные векторы x=ξ/ξ 0 и y=η/η 0 , то уравнение линзы можно записать в следующем виде:

Тогда, если ввести функцию, называемой потенциалом Ферма , можно записать уравнение следующим образом :

Временную задержку между изображениями также принято записывать через потенциал Ферма :

Иногда удобно выбрать масштаб ξ 0 =D l , тогда x и y это угловое положение изображения и источника соответственно.

См. также

• SDSSJ0946+1006 - система с двойными кольцами Эйнштейна.

Ссылки

Литература

• Захаров А.Ф. Гравитационные линзы и микролинзы. - М .: Янус-К, 1997. - ISBN 5-88929-037-1
• ЧЕРЕПАЩУК А. М. Гравитационное микролинзирование и проблема скрытой массы.

Галактики
Виды
Структура
Активные ядра
Взаимодействие
Явления и процессы
Списки

Категории:

• Астрофизика
• Релятивистские и гравитационные явления
• Астрономические явления
• Астрономические объекты, открытые методом гравитационного микролинзирования

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гравитационная линза" в других словарях:

Космич. тело с большой массой, гравитац. поле к рого искривляет (фокусирует) излучение более далёкого объекта, находящегося на одном луче зрения с гравитирующей массой. Г. л. создаёт неск. изображений объекта, в нек рых из к рых происходит… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Гравитационная линза - тело большой массы, влияние которого на движение света похоже на действие обычной линзы, преломляющей лучи за счет изменения оптических свойств среды; отклонение света гравитационным полем предсказано А.Эйнштейном (1915), расчет вида… … Мир Лема - словарь и путеводитель

Гравитационное линзирование света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения,… … Википедия - Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия аудиокнига

Ключевым компонентом общей теории относительности является то, что массивный объект, такие как планеты, звезды, галактики или скопления галактик могут иметь драматические последствия для «ткани» Вселенной, известной как «пространство-время». В обычных условиях свет проходит через пространство по прямой линии, однако массивный объект искривляет пространство-время таким образом, что свет проходит по изогнутой траектории. Таким образом, мы можем в состоянии увидеть искаженный свет далеких галактик, который проходит через массивные галактики по пути на .

И конечно существует множество примеров, вызванных этим механизмов, известным как «гравитационная линза». Эти артефакты могут быть использованы для увеличения возможностей самых мощных телескопов.

На этом изображении, сделанном космическим телескопом Хаббла и рентгеновской обсерватории НАСА Чандра, кажется, что на нас смотрит «Чеширский кот». На самом деле, это скопление галактик находится на расстоянии 4 миллиардов световых лет от Земли в . Часть света этих галактик было деформировано и искривлено на своем пути через Вселенную, пока не достигло наших телескопов.

Эта диаграмма дает хорошее представление того, как работает гравитационная линза. Свет, исходящий от далекой галактики, проходит через пространство и огибает скопление галактик на переднем плане. Интересно, что масса скопления галактик на переднем плане имеет аналогичный эффект для этого дальнего света, как стеклянная линза, поставленная перед пламенем свечи. Гравитационная линза позволяет усиливать свет далеких галактик, создавая естественную линзу в пространстве, которые в противном случае бы остались слишком тусклыми, чтобы быть увиденными.

Конечно, выравнивание Земли, гравитационной линзы и далекой галактики не всегда идеально. Кроме того, объект на переднем планет, как правило, имеет неправильную форму. Эти факторы заставляют выглядеть далекие галактики как дуги. Одна и та же галактика с различными гравитационными линзами может быть спроектирована по-разному.

На этом изображении, сделанном космическим телескопом Хаббл, представлено скопление галактик Abell 370, в котором можно увидеть несколько видимых дуг галактического света. Часто, для определения четких размеров, эти дуги могут быть реконструированы, чтобы показать, как галактика выглядит без искажений.

Это еще одно массивное скопление галактик Abell 2218, которое заполнено некоторыми потрясающими примерами гравитационно-линзовых галактик. Эти дуги – свет от галактик, расположенных от 5 до 10 раз дальше от Земли, чем скопление галактик. Abell 2218 усиливает слабый свет от галактик, которые существовали более 13 миллиардов лет назад, менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва. Эти дуги действительно являются артефактами начала времен.

Если выравнивание будет идеальным и объект-линза будет менее сложным, чем скопление галактик, то можно увидеть почти идеальные круги света или «подковы», где свет далекой галактики деформируется на 360 градусов вокруг объекта линзирования. Например, прохождение изолированной массивной черной дыры перед далекой галактикой может создать такую драматическую сцену.

Как видно на этом поразительном изображении, полученным Атакамской Большой Миллиметровой/субмиллиметровой Решеткой (сокр.: ALMA. англ.: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, свет далекой галактики сформировал полный круг, метко названный «кольцом Эйнштейна». Свет возник из древней звездообразовательной галактики под названием SDP.81 и является лучшим примером кольца Эйнштейна на сегодняшний день.

Иногда несколько изображений одного и того же объекта можно увидеть вокруг гравитационных линз. На этом изумительном изображении можно наблюдать древнюю сверхновую, которая была многократно увеличена массивной галактикой, содержащейся в скоплении MACS J1149.6 + 2223, расположенном в 5 миллиардах световых лет. Сама сверхновая расположена на расстоянии еще 4000000000 световых лет и четырехкратно преломилась вокруг объекта-линзы. Такое строение известно как «Крест Эйнштейна».

Среди всех удивительных следствий общей теории относительности (ОТО), разработанной Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein , 1879-1955) в 1916 году, предсказание гравитационных линз оказалось не самым примечательным для широкой публики. И это вполне естественно, поскольку оно не поражала воображение ни возможностью каждому стать моложе своих сверстников, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света (парадокс близнецов), ни очутиться в прошлом, двигаясь со скоростью больше скорости света, ни мгновенно переноситься на сотни и тысячи парсек по так называемым «кротовым норам» . Гравитационные линзы оказались гораздо менее таинственны, чем чёрные дыры, ставшие в определённом смысле символом науки ХХ столетия, или «Большой взрыв» , названный так в насмешку, а превратившийся в основную метафору революционной ломки каких-либо стереотипов. С точки зрения широкой публики заслуги гравитационного линзирования в современной науке незаметны, хотя с точки зрения самой науки эти заслуги весьма существенны. Интересен и тот факт, что обнаружение и использование гравитационного линзирования «задержалось» на несколько десятилетий — его предсказал сам Эйнштейн вскоре после создания ОТО, а открыли его только в 1979 году.

В основе этого явления лежит эффект искривления пространства вблизи массивного тела , а значит, и эффект искривления световых лучей. Для того чтобы наглядно себе представить, как это происходит, обычно советуют обойтись только двумя пространственными измерениями и изобразить весь космос листом бумаги или, ещё лучше, куском ткани, натянутой на жесткую рамку. В отсутствие массивного тела на этой поверхности она остаётся ровной и плоской, в случае же появления такового наша поверхность деформируется, прогибаясь (искривляясь) под его весом.

Эффект отклонения луча далекой звезды в гравитационном поле Солнца был первым наблюдаемым подтверждением ОТО. Обнаружение в 1919 году эффекта искривления светового луча количественно совпало с теоретическими расчётами ОТО - именно это немедленно сделало Эйнштейна знаменитостью. Это был триумф общей теории относительности, которая, без сомнения, несла в себе огромный революционный заряд, кардинальным образом меняя наши представления о пространстве, времени, материи. Первой о сенсации сообщила лондонская «Times» , и тут же эхом откликнулась пресса Голландии , Германии , Швейцарии , США , Испании , Бразилии и многих других стран.

Лишь прискорбное стечение обстоятельств ответственно за то, что история этой сенсации никак не связана с Российской Империей . Первые попытки обнаружить искривление светового луча от прямолинейной траектории предпринимались и до знаменитой теперь публикации 1917 года. В ней давалась уже численная оценка, а общие соображения об искривлении пространства Эйнштейн высказывал и раньше. Сначала наблюдениям полного солнечного затмения 1912 года в Аргентине помешали дожди, а два года спустя для наблюдения затмения 21 августа 1914 года из Германии в Крым на Симеизскую обсерваторию была снаряжена специальная экспедиция, финансируемая знаменитым немецким магнатом Густавом Круппом (Gustav Krupp von Bohlen und Halbach , 1870–1950). Однако начало Первой мировой войны сделало работу невозможной: какие-то члены экспедиции сразу покинули Россию, другие были арестованы российскими властями. Начнись война на месяц позже…

Однако одного только искривления пространства недостаточно для гравитационного линзирования - оно должно искривиться таким образом, чтобы луч от далекой звезды мог фокусироваться. Именно поэтому эффект удалось обнаружить только через 60 лет после теоретического предсказания. Но, кроме особенностей самого линзирования, были сложности, связанные с развитием наблюдательной техники. До середины ХХ века в наблюдательной астрономии внегалактическая наблюдательная астрономия делала только свои первые шаги. Вероятность же линзирования на звёздах, то есть совпадения звезды-линзы и линзируемого объекта (звезды, служащей источником света) на одном луче зрения, ничтожно мала - она выражается числом с 18 нулями после запятой. А для галактик она значительно больше, что и подтвердилось в наблюдениях 1979 года. Именно с этого времени гравитационное линзирование стало ещё одним эффективным и действенным инструментом познания Вселенной.

Ход лучей в космической линзе

Главная ценность гравитационного линзирования в том, что оно дает информацию не только и не столько о наблюдаемом объекте, изображение которого искажается линзой, сколько о самой линзе, её свойствах и параметрах. Всего различают два вида линзирования - сильное и слабое. При слабом линзировании линза только искажает форму и видимые положения удаленных объектов. При сильном линзировании влияние линзы настолько велико, что изображение наблюдаемого через линзу источника расщепляется на несколько изображений, образующих кольца, дуги и иные более сложные фигуры. Имея изображение, «сделанное» сильной линзой, мы можем восстановить массу её центральной части, а следовательно, если в качестве линзы используется скопление галактик, - массу центральной части скопления. По слабому линзированию мы можем с определенной степенью достоверности оценить форму (вытянутость) удаленных источников, линзируемых скоплением галактик, и из этого получить пространственное распределение массы линзы.

Конечно, сами по себе результаты оценки массы линзирующих галактик и их скоплений представляют определённый интерес для внегалактической астрономии, однако этот интерес заметно возрастает, когда появляется возможность использовать полученные результаты для решения других насущных проблем современной физики и космологии. Одной из таких проблем является проблема тёмного вещества. Ещё в последней четверти ХХ столетия было достоверно установлено, - в частности, по динамике движения галактик и скоплений при их гравитационном взаимодействии, где и пригодилась независимая, не динамическая оценка масс галактик и скоплений, - что видимое вещество (звёзды и газопылевые облака) составляет в наблюдаемой части Вселенной не более 5% , тогда как невидимого вещества приблизительно в 5 раз больше.

Поначалу специалисты выражали надежду объяснить существование такой скрытой массы существованием невидимых астрономических объектов, не являющихся источниками какого-либо излучения, - например, холодные космическая пыль и газ, планетные системы вокруг звёзд, чёрные дыры . Такие объекты в качестве тёмного вещества рассматриваются и сейчас, однако сейчас появились основания полагать, что их недостаточно для получения «правильного» значения плотности тёмного вещества, поэтому приходится искать новых «претендентов» на звание «тёмного вещества». Это, прежде всего, массивные гипотетические слабовзаимодействующие частицы, которыми, в случае наличия у них большой массы, могут быть и нейтрино, сами нейтрино, если масса у них мала, гипотетические маломассивные частицы аксионы, частицы, существование которых следует из теории суперсимметрии , гипотетические сверхтяжелые частицы, и, наконец, самовзаимодействующее вещество. Предположительно, значительная часть всех этих частиц расположена в обширных галактических гало . Какой из этих «кандидатов» доминирует в наблюдаемой области Вселенной, какие просто наличествуют - все эти вопросы должны решаться разработкой соответствующих теоретических моделей и систематическими астрономическими наблюдениями. И тут-то большая надежда возлагается на гравитационные линзы! Несмотря на все свое оптическое несовершенство даже в сравнении с линзами обычных очков, они позволяют «увидеть» невидимое - вещество, не излучающее ни в одном из оптических диапазонов, тем не менее отклоняет лучи света, приходящие от более удаленных объектов, расщепляя и искажая их изображения.

Темные дела

Наблюдение линзирования галактиками или их скоплениями весьма полезно, но не позволяет получить ответы на все вопросы относительно тёмного вещества. Однако Вселенная «сжалилась» над нами, предоставив возможность наблюдать удивительное явление - взаимодействующие или, правильнее сказать, сталкивающиеся скопления галактик . Какую бы мы модель тёмного вещества не приняли, для нее будут возможны гидродинамические аналогии, описывающие столкновения конечных объёмов жидкости или газа. Оказалось, что такие аналогии не только уместны, но и довольно действенны. В самом деле, кого из нас не очаровывали в детстве брызги, возникающие при падении капель в чашку с водой. Хорошо известно, как по поверхности воды разбегаются круги. Очевидно, что-то похожее происходит и здесь: хотя сам процесс столкновения достаточно сложен, но его результат - разумеется, после соответствующей обработки изображений, - можно увидеть воочию.

Механизм формирования кольцевой формы - ее называют также кольцом Эйнштейна - такой же, что и у колец на поверхности воды: взаимодействие двух массивов частиц. Однако его природа совсем иная - его частицы есть частицы того самого загадочного тёмного вещества, которое так беспокоит умы современных исследователей. К сожалению, феномен наблюдения (в том смысле, что оно происходит вдоль луча зрения) подобного взаимодействия пока уникален во Вселенной и известен нам в единственном числе. Эта уникальность заключена не только в небольшом количестве взаимодействующих скоплений галактик, но и в их возможности «быть линзой», то есть в наличии за ними объектов - источников света, которые бы располагались на приемлемом расстоянии от оптической оси линзы. Вероятность такого сочетания крайне невелика, и нам остается надеяться на то, «что случилось однажды, может быть, дважды», и рано или поздно астрономам ещё повезёт наблюдать этот феномен.

Кроме поисков тёмного вещества гравитационные линзы можно использовать и в качестве других, астрофизических или космологических «приложений» ОТО. Одно из них - измерения постоянной Хаббла . Если блеск линзируемого объекта (квазара) изменяется во времени, эти изменения будут наблюдаться в каждом из его линзированных компонентов. Так как лучи света, формирующие изображения компонентов, распространяются по разным оптическим путям, вариации блеска источника будут наблюдаться в его линзированных изображениях не одновременно, а с некоторым запаздыванием (или опережением) относительно друг друга. Имея достаточно точные кривые блеска компонентов, можно получить оценку времени запаздывания. Если при этом измерены красные смещения объекта и гравитационной линзы, и известно распределение массы в линзе, можно получить теоретические оценки ожидаемых времен запаздывания. Сравнение ожидаемых и измеренных времен запаздывания позволяет оценить постоянную Хаббла. Это одна из важнейших физических постоянных, которая определяет масштаб «линейки», посредством которой астрономы измеряют размеры нашей Вселенной.

Ещё одно приложение гравитационного линзирования - микролинзирование квазаров . Первые регулярные наблюдения квазаров Q2237+0305 и Q0957+561 показали, что эти столь удаленные объекты достаточно «живые» и динамичные - наблюдаются изменения блеска их компонентов на интервалах в несколько лет или даже месяцев. Причиной этих вариаций являются события микролинзирования, проявляющиеся в локальных усилениях блеска отдельных компонентов гравитационно линзированных квазаров, объектами линзирующей галактики - звездами и/или планетами. Из-за наличия относительного движения в системе «квазар - линзирующая галактика (линза) - наблюдатель» видимые положения расщепленных макролинзой-галактикой изображений в разные моменты времени различным образом проецируются на плоскость галактики и как бы сканируют её изображение. При этом, если в какой-то момент вблизи луча зрения в направлении на один из компонентов окажется объект галактики (звезда), его изображение дополнительно линзируется этим объектом. Возникающие тогда расщепления компонентов порядка нескольких угловых микросекунд не могут наблюдаться современными средствами, но изменения блеска могут быть зарегистрированы при фотометрии такого объекта. Частота таких событий определяется относительной поперечной скоростью системы «квазар - линза - наблюдатель» и поверхностной плотностью объектов, а количественно наблюдаемые изменения блеска определяются массами линзирующих объектов и существенным образом зависят от углового размера линзируемого источника. Наблюдения событий микролинзирования предоставляют уникальную возможность измерения характерного размера квазара и изучения характеристик объектов линзирующей галактики с угловым разрешением, недоступным никаким другим методам.

Новости партнёров

Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] Петров Александр Николаевич

Гравитационные линзы

Гравитационные линзы

Почему попугаи за номером один, два и три…, похожи друг на друга до такой степени?

Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу»

С понятием «гравитационная линза», которое мы ввели выше, связаны бурно развивающиеся в последнее время области исследований в астрофизике и космологии. Из российских ученых активными теоретиками-исследователями в этой области являются Михаил Сажин и Александр Захаров. Изложение этой части будет во многом соответствовать статье Захарова «Гравитационные линзы» на сайте pereplet.ru.

По-видимому первый, кто использовал термин «линза» для отклонения луча света гравитационным полем тела, был английский физик Оливер Лодж (1851–1949) в 1919 году. Однако он отметил, что «гравитационное поле действует как линза, но она не имеет фокусной длины». Петербургский физик Орест Хвольсон (1852–1934) в 1924 году опубликовал короткую заметку, в которой заметил, что в случае, когда рассматривается отклонение луча света далекой звезды звездой-линзой, возможно возникновение второго изображения фоновой звезды, но угол между двумя изображениями столь мал, что эти изображения нельзя разрешить с помощью наземного телескопа. В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникает изображение типа кольца.

Аналогичные результаты опубликовал Эйнштейн в 1936 году, где также описывалось появление кольца в случае, если наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой. Эти результаты более известны, возможно потому, что журнала «Science», где опубликована статья Эйнштейна, более популярен по сравнению с потсдамским астрономическим журналом «Astronomische Nachrichten», где опубликована статья Хвольсона. Поэтому кольца гравитационной линзы называют обычно «кольцами Эйнштейна», значительно реже «кольцами Хвольсона-Эйнштейна». Эйнштейн также заметил, что «конечно нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление». Нужно сказать, правда, что и Хвольсон, и Эйнштейн рассматривали случай, когда и источник, и гравитационная линза являются звездами.

Однако в 1937 году американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки (1898–1974) пришел к выводу, что эффект может быть наблюдаем в случае, если источником является далекая яркая галактика, а гравитационной линзой – более близкая галактика. В публикации он ссылается на идеи нашего соотечественника, представителя первой русской эмиграции инженера Владимира Зворыкина (1888–1982), создателя современного телевидения, и чешского инженера Руди Мандла. То же самое написал Эйнштейн в своей работе: «Некоторое время тому назад меня посетил Руди Мандл и попросил опубликовать результаты небольшого расчета, который я провел по его просьбе. Уступая его желанию, я решил опубликовать эту заметку». Так что, может и была борьба за приоритеты, но исследователи вели себя очень корректно в отношении чужих идей и результатов. А ссылка Цвикки демонстрирует широкое влияние на развитие мировой науки российской научной школы.

Насколько плодотворным было замечание Зворыкина и, безусловно, последующий анализ Цвикки, стало ясно спустя более сорока лет. В 1979 году группа английских астрономов обнаружила первую гравитационную линзу при наблюдении двойного квазара QSO 0957+16 A, B: угловое расстояние между изображениями порядка 6? , а гравитационной линзой являлась галактика, рис. 7.4. Таким образом, предсказание Цвикки подтвердилось. На настоящий момент открыто более полусотни объектов, которые представляют результат гравитационного линзирования, и это число постоянно растет. Замечательный космолог, астрофизик, физик-теоретик Яков Зельдович (1914–1987), рис. 7.5, с его широчайшим научным кругозором, не мог не оценить важности этого открытия и обратил на него внимание одного из своих учеников – Михаила Сажина. Сейчас как теоретическое изучение этого явления, так и поиски новых наблюдательных подтверждений активно продолжаются.

Рис. 7.4. Первая гравитационная линза

Теперь расскажем о физике явления. Действительно, как было замечено Лоджем, гравитационные линзы не имеют «фокусного расстояния» в том смысле, как ее имеют оптические линзы. Поэтому их действие оказывается несколько непривычным. Они также «собирают» свет, при некоторых условиях это приводит к повышению яркости наблюдаемого объекта. Но более выдающимся их проявлением является «построение» двух , а иногда нескольких изображений этого объекта. Обратимся к схеме на рис. 7.6. На ней проиллюстрировано как действует точечная гравитационная линза. Собственно объект наблюдения (квазар) находится в точке S, линза в точке D, а наблюдатель в точке O .

Рис. 7.5. Яков Зельдович

Два луча (жирные линии) отклоняются линзой так, что наблюдатель видит два изображения квазара на небесной сфере: точки S 1 и S 2 .

В случае, если точечный источник находится точно на оси симметрии, изображение является кольцом, которое обсуждалось в работах Хвольсона и Эйнштейна. Однако наблюдать подобное кольцо в реальности в случае точечного источника невозможно, поскольку при самом малом изменении параметров кольцо исчезает и появляется два точечных изображения.

Чаще всего обнаружить гравитационные линзы можно по наблюдениям пар квазаров, которые имеют похожие спектры и временную переменность компонентов, отличающуюся лишь временным сдвигом, который может принимать значения для различных пар изображений от нескольких дней до нескольких лет!

Рис. 7.6. Геометрия точечной гравитационной линзы

В случае, когда источник не точечный, появление кольца в принципе возможно, хотя скорее будет два растянутых изображения в виде дуг. В реальных ситуациях или угловое расстояние между изображениями слишком мало, или линза имеет большую массу и большие размеры, так что ее нельзя рассматривать как материальную точку (как в первых наблюдаемых примерах гравитационных линз). Реальные эффекты гравитационного линзирования зависят от разных параметров, а число возможных изображений и сами изображения разнообразны.

Гравитационные линзы в настоящее время являются и важным инструментом астрономических исследований. С их помощью можно: 1) получить независимую от других методов исследований оценку параметров расширения Вселенной; 2) оценить массы гравитационных линз, большая часть которых испускает слишком мало электромагнитного излучения, чтобы их можно было обнаружить с помощью стандартных астрономических методов; 3) по наблюдаемому изменению формы удаленных фоновых галактик с помощью методов так называемого слабого гравитационного линзирования можно восстановить распределение поверхностной плотности удаленных скоплений галактик; 4) по характерному изменению наблюдаемой светимости фоновой звезды можно обнаружить невидимые объекты с массами порядка солнечной, то есть обнаружить так называемое микролинзирование. Это как раз то явление, которое Хвольсону и Эйнштейну казалось слишком недоступным для наблюдения.

Недавно, в 2007 году, было установлено, что одно из событий микролинзирования вызвано коричневым карликом – это почти невидимые объекты небольшой (по звездным меркам) массы. Таким образом, микролинзирование расширяет возможности исследования этих малодоступных для обнаружения и наблюдений, но очень интересных и важных тусклых звезд.

Из книги Звезды: их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное] автора Шкловский Иосиф Самуилович

Глава 24 Черные дыры и гравитационные волны Основоположник теории внутреннего строения звезд выдающийся английский ученый А. С. Эддингтон был, как известно, крупнейшим знатоком общей теории относительности. Он впервые во время солнечного затмения в 1919 г. измерил

Из книги История лазера автора Бертолотти Марио

Гравитационные волны В 1919 г. Эйнштейн предсказал, что движущиеся массы производят гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. К сожалению, амплитуда такого гравитационного излучения, испускаемого любым источником, созданным в лаборатории, слишком

Из книги Твиты о вселенной автора Чаун Маркус

140. Что такое гравитационные волны? Гравитационные волны являются гипотетическими волнами в структуре пространства-времени, движущимися со скоростью света, как рябь на поверхности пруда.Согласно общей теории относительности Эйнштейна, жесткое 4-мерное

Из книги Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] автора Петров Александр Николаевич

Глава 10 Гравитационные волны А синуса график волна за волной На ось ординат набегает. Студенческая песня Электромагнитные волны Развивая рассказ о создании новой теории гравитации ОТО, мы все время возвращались к идеям Ньютона и результатам его теории. Сейчас,

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Магнитные, электрические и гравитационные поля Силовые линии магнитных полей играют большую роль во Вселенной и очень важны для понимания «Интерстеллар», поэтому стоит поговорить о них, прежде чем углубиться в научные аспекты фильма.Наверное, на уроках физики вам

Из книги автора

7. Гравитационные пращи Управлять космическим кораблем вблизи Гаргантюа нелегко – из-за очень больших скоростей. Чтобы не погибнуть, планета, звезда или космический корабль должны противопоставить огромной гравитации Гаргантюа центробежную силу сравнимой величины.

Из книги автора

Гравитационные маневры NASA в Солнечной системе Давайте вернемся из мира вероятностей (то есть всего, что допускают законы физики) к реальным, без изысков, гравитационным пращам в уютных пределах нашей Солнечной системы (по состоянию на 2014 год).Возможно, вы слышали

Из книги автора

Гравитационные пращи у двойной черной дыры Третий способ – это моя собственная сумасбродная – крайне сумасбродная! – вариация одной из идей Дайсона .Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто

Из книги автора

16. Обнаружение червоточины: гравитационные волны Как люди в «Интерстеллар» могли обнаружить червоточину? У меня как физика есть любимая версия, о которой я сейчас поведаю, выйдя за рамки непосредственных событий «Интерстеллар». Разумеется, эта лишь мои догадки,

Из книги автора

Гравитационные волны и детекторы волн А теперь, прежде чем продолжить разговор об «Интерстеллар», я позволю себе удовольствие рассказать еще немного о гравитационных волнах.На рис. 16.6 – художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются

Из книги автора

Гравитационные волны от Большого взрыва В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был

Из книги автора

24. Гравитационные аномалии Гравитационная аномалия – это нечто такое, что связано с гравитацией и не укладывается в наши представления о Вселенной или не соответствует нашему пониманию законов физики, управляющих Вселенной: например падения книг

Из книги автора

Гравитационные аномалии в «Интерстеллар» В отличие от гравитационных аномалий, о которых я рассказал только что, в «Интерстеллар» гравитационные аномалии наблюдаются на Земле.Физики, начиная с самого Исаака Ньютона, усиленно искали аномалии на Земле. Находок было

Из книги автора

Глава 7. Гравитационные пращи О гравитационных пращах на более сложном уровне, чем в этой книге, см. статью в «Википедии» en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist, однако не верьте тому, что там говорится о пращах вокруг черных дыр: утверждение (по состоянию на 4 июля 2014 года): «Если

Из книги автора

Глава 16. Обнаружение червоточины: гравитационные волны Свежая информация о проекте ЛИГО и поиске гравитационных волн – на сайте научного коллектива ЛИГО ligo.org (в особенности см. разделы News и Magazine) и на сайте лаборатории ЛИГО ligo.caltech.edu; также см. фильм Кая Стаатса

Из книги автора

Глава 24. Гравитационные аномалии Подробную историю об открытии аномальной прецессии Меркурия и о поисках планеты Вулкан можно узнать из трактата историка науки Н. Т. Роузвера «Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна» [Роузвер 1985], а также из более простого