Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Сегодня мы расскажем вам о слабом гравитационном линзировании. Поводом для этого послужила профессора Маттиаса Бартельманна из университета теоретической физики Гейдельберга, которую он написал специально для образовательного проекта Scholarpedia.

Сначала немного истории: идея о том, что массивные тела способны отклонять свет, восходит к Исааку Ньютону. В 1704 году он писал в своей книге «Оптика»: «...не оказывают ли влияния тела на свет на расстоянии и этим влиянием отклоняя его лучи; и не тем ли сильнее это влияние, чем меньше расстояние [между телом и лучом света]?» Долгое время сама постановка такого вопроса была противоречивой, потому что ньютоновская физика работает только с телами, обладающими массой, а дебаты по поводу природы света, свойств и наличия массы у его частиц шли еще добрых два столетия.

Тем не менее, в 1804 году немецкий астроном Иоганн фон Зольднер , предположив наличие массы у еще не открытых к тому времени фотонов, смог рассчитать угол, на который отклонится свет от далекого источника, если он «чиркнет» по поверхности Солнца и долетит до Земли - луч должен был отклоняться на 0,83 угловой секунды (это примерно размеры копеечной монеты с расстояния 4 километров).

Следующий большой шаг в изучении взаимодействия света и гравитации сделал Альберт Эйнштейн. Его работы по об ей теории относительности заменили классическую теорию тяготения Ньютона, где присутствуют силы, на геометрическую. В этом случае масса фотонов уже не важна - свет будет отклоняться просто потому, что само пространство вблизи массивного предмета искривлено. Еще не окончив работы по ОТО, Эйнштейн рассчитал угол отклонения луча света, проходящего вблизи Солнца и получил... в точности те же 0,83 угловой секунды, что и фон Зольднер за сто лет до него. Лишь пятью годами позже, завершив работы над ОТО, Эйнштейн понял, что нужно учитывать не только пространственную, но и временну ю компоненту кривизны нашего четырехмерного пространства-времени. Это удвоило расчетный угол отклонения.

Давайте попробуем получить этот же угол. Проходя мимо массивного тела, луч света отклоняется, потому что двигается прямо, но в искривленном пространстве. С точки зрения Эйнштейна, пространство и время равноправны, значит, меняется и время, за которое свет дойдет до нас. Следовательно, меняется скорость света.

Скорость света, проходящего в поле тяготения линзы, будет зависеть от гравитационного потенциала линзы и будет меньше скорости света в вакууме

Это не нарушает никаких законов - скорость света действительно может меняться, если свет идет сквозь какое-то вещество. То есть, по Эйнштейну, отклонение света массивным предметом равносильно его прохождению сквозь некую прозрачную среду. Погодите, это же напоминает коэффициент преломления линзы, который мы все изучали в школе!

Отношение двух скоростей света - это и есть знакомый нам со школы коэффициент преломления

Теперь, зная скорость света в линзе, можно получить что-то, что можно измерить на практике, - например, угол отклонения. Для этого нужно применить один из фундаментальных постулатов природы - принцип Ферма, согласно которому луч света двигается так, чтобы минимизировать оптическую длину пути. Записав его на языке математики, мы получим интеграл:

Угол отклонения будет равен интегралу от градиента гравитационного потенциала

Решать его не надо (да это и очень трудно), главное тут - увидеть двойку перед знаком интеграла. Это та самая двойка, которая появилась у Эйнштейна при учете пространственной и временно й компонент и которая увеличила угол отклонения в два раза.

Чтобы взять интеграл, применяют аппроксимацию (то есть упрощенное и приближенное вычисление). Для данного конкретного случая удобнее использовать приближение Борна, которое пришло из квантовой механики и было хорошо известно Эйнштейну:

Та самая аппроксимация Борна для упрощенного вычисления угла отклонения

Подставляя известные для Солнца значения в формулу выше и переводя радианы в угловые секунды, полчаем искомый ответ

Знаменитая экспедиция под руководством Эддингтона наблюдала за солнечным затмением 1919 года в Африке, и звезды, которые во время затмения были рядом с солнечным диском, отклонились на угол от 0,9 до 1,8 угловой секунды. Это было первое экспериментальное подтверждение общей теории относительности.

Тем не менее ни сам Эйнштейн, ни его коллеги не задумывались о практическом использовании этого факта. Действительно - Солнце слишком яркое, а отклонения заметны только у звезд вблизи его диска. Значит, наблюдать эффект можно только во время затмений, да и никаких новых данных ни про Солнце, ни про другие звезды это астрономам не дает. В 1936 году чешский инженер Руди Мандль посетил ученого в Принстоне и попросил его рассчитать угол отклонения звезды, свет от которой пройдет рядом с другой звездой (то есть любой звездой кроме Солнца). Эйнштейн сделал необходимые расчеты и даже опубликовал статью, но в ней заметил, что считает эти эффекты пренебрежимо малыми и не поддающимися наблюдению. Однако за идею ухватился астроном Фриц Цвикки , который к этому времени плотно занимался изучением галактик (то, что помимо Млечного Пути существуют другие галактики, стало известно за восемь лет до этого). Он первым понял, что в качестве линзы может выступать не только звезда, но и целая галактика и даже их скопление. Подобная гигантская масса (миллиарды и триллионы масс Солнца) отклоняют свет достаточно сильно, чтобы это можно было зарегистрировать, и в 1979 году, к сожалению, через пять лет после смерти Цвикки, была обнаружена первая гравитационная линза - массивная галактика, которая отклонила свет далекого квазара, проходящий сквозь нее. Сейчас же линзы, вопреки прогнозам Эйнштейна используют совсем не для проверки ОТО, а для огромного числа исследований самых крупных объектов Вселенной.

Различают сильное, слабое и микролинзирование. Отличие между ними заключается в расположении источника, наблюдателя и линзы, а также в массе и форме линзы.

Сильное гравитационное линзирование характерно для систем, где источник света находится близко к массивной и компактной линзе. В результате свет, расходящийся от источника по разные стороны от линзы, огибает ее, искривляется и доходит до нас в виде нескольких изображений одного и того же предмета. Если источник, линза и наблюдатель (то есть мы) находятся на одной оптической оси, то можно увидеть несколько изображений одновременно. Крест Эйнштейна - это классический пример сильного гравитационного линзирования. В более общем случае линза сильно искажает форму объекта, делая его похожим на арку.

Пример сильного линзирования далекой галактики (белый обьект) массивной более близкой к нам галактикой (бирюзовый объект)

Wikimedia Commons

Слабое гравитационное линзирование, о котором и пойдет в основном рассказ в нашем материале, не способно сформировать ни четкого изображения, ни даже яркой красивой арки - для этого линза слишком слаба. Однако изображение все равно деформируется, и это дает ученым в руки очень сильный инструмент: известных нам примеров сильного линзирования немного, а вот слабого, для которого достаточно, чтобы две крупные галактики или два скопления оказались на угловом расстоянии около одной секунды дуги, вполне хватает для статистического изучения галактик, скоплений, темной материи, реликтового излучения и всей истории Вселенной от Большого взрыва.

И, наконец, гравитационное микролинзирование - это временное увеличение яркости источника линзой, которая оказалась на оптической оси между ним и нами. Обычно эта линза недостаточно массивна, чтобы сформировать четкое изображение или даже арку. Однако она все равно фокусирует часть света, который иначе бы до нас не дошел, и это делает далекий объект ярче. Этот метод используют для поиска (а точнее говорить - случайного обнаружения) экзопланет.

Напомним, что в этом обзоре мы, следуя за статьей профессора Бартельманна, ограничимся обсуждением именного слабого линзирования. Очень важно, что слабое линзирование, в отличие от сильного, не может создавать ни арок, ни множественных изображений одного и того же источника. Не может даже сколько-нибудь значительно увеличивать яркость. Все, на что оно способно - немного изменить форму далекой галактики. На первый взгляд, это кажется мелочью - мало ли в космосе эффектов, которые искажают объекты? Пыль поглощает свет, расширение Вселенной сдвигает все длины волн, свет, доходя до Земли, рассеивается в атмосфере, а потом еще проходит сквозь неидеальную оптику телескопов - где уж тут заметить, что галактика стала чуть более вытянутой (учитывая, что мы и не знали, какой она была изначально)? Однако тут на помощь приходит статистика - если на небольшом участке неба у галактик есть предпочтительное направление вытянутости - значит, возможно, мы их видим через слабую линзу. Несмотря на то, что современные телескопы могут видеть порядка 40 галактик в квадрате со сторонами в одну угловую минуту (это размеры МКС, как мы ее видим с Земли), искажение, вносимое линзированием в форму галактики, настолько незначительно (не превышает нескольких процентов), что нам нужны очень большие и очень мощные телескопы. Такие, например, как четыре восьмиметровых телескопа комплекса VLT в Чили, или 3,6-метровый телескоп CFHT , расположенный на Гавайях. Это не просто очень большие телескопы - они к тому же могут получать изображение большого участка неба одним снимком, вплоть до одного квадратного градуса (в отличие, например, от очень мощного телескопа Хаббла, один кадр которого покрывает квадрат со стороной всего 2,5 угловой минуты). К настоящему времени опубликовано уже несколько обзоров площадью чуть более 10 процентов неба, которые дали достаточно данных для поиска слабо линзированных галактик.

Карта распределения материи, реконструированная после расчетов эффектов слабого гравилинзирования; белыми точками обозначены галактики или скопления галактик

Надо сказать, что у метода поиска гравитационных линз по ориентации галактик есть несколько допущений. Например, что галактики во Вселенной ориентированы произвольно, а это не обязательно так - с 1970-х годов астрофизики рассуждают о том, должны ли скопления иметь какую-то упорядоченную ориентацию или нет. Последние исследования показывают, что скорее всего нет - даже в ближайших и наиболее массивных скоплениях галактики ориентированы случайным образом, но окончательно этот вопрос не закрыт. Однако, иногда физика бывает и на стороне ученых - гравитационные линзы ахроматичны, то есть, в отличие от линз обыкновенных, они отклоняют свет всех цветов совершенно одинаково и нам не приходится гадать: галактика выглядит красной, потому что она на самом деле красная, или просто потому, что все остальные цвета пролетели мимо нашей планеты?

Иллюстрация эффектов слабого гравитационного линзирования. Слева показаны наиболее заметные последствия - появление вытянутости. В центре и справа - влияние параметров второго и третьего порядков - смещение центра источника и треугольная деформация

Matthias Bartelmann et al. 2016

А есть ли какое-нибудь практическое применение у этого сложного метода? Есть, и не одно - слабое гравитационное линзирование помогает нам в изучении распределения темной материи, а также крупномасштабной структуры Вселенной. Вытянутость галактик вдоль какой-то оси может достаточно точно предсказать массу линзы и ее концентрацию в пространстве. Сравнивая получившуюся теоретическую массу с массой видимых галактик, которую мы умеем достоверно определять по данным оптических и инфракрасных телескопов, можно измерить массу темной материи и ее распределение в той галактике или скоплении галактик, которое выступает в качестве линзы. Нам, например, уже известно, что гало (то есть облако) темной материи вокруг отдельных галактик почему-то более плоское, чем мы думали раньше. Еще одним применением линзирования может стать открытие новых скоплений галактик - до сих пор идут дебаты, может ли у нескольких галактик быть одно гало темной материи на всех, но похоже, что в некоторых случаях это действительно так. И тогда это гало будет служить линзой и укажет на то, что эти галактики не просто находятся рядом друг с другом, а входят в скопление, то есть гравитационно-связанную систему, в которой движение каждой из них определяется влиянием всех участников скопления.

Галактики - это очень хорошо, но можно ли заглянуть с помощью гравитационного линзирования еще дальше - в прошлое, когда галактик и звезд еще не было? Оказывается, можно. Реликтовое излучение - электромагнитное излучение, появившееся во Вселенной всего через 400 000 лет после Большого Взрыва - присутствует в каждом кубическом сантиметре пространства последние 13,6 миллиарда лет. Все это время оно распространяется в разные стороны и несет в себе «отпечаток» ранней Вселенной. Одним из ключевых направлений астрофизики последних десятилетий было изучение реликтового излучения с целью найти в нем неоднородности, которые могли бы объяснить, как из такой симметричной и анизотропной (в теории) изначальной Вселенной могла появиться такая неоднородная и неупорядоченная структура, где в одном месте скопление тысяч галактик, а в другом - пустота на многие кубические мегапарсеки.

Спутники РЕЛИКТ-1 , COBE , WMAP , Planck со все большей точностью измеряли однородность реликтового излучения. Сейчас мы видим его настолько подробно, что становится важным «очищать» его от различных шумов, вносимых источниками, не связанными с изначальным распределением вещества во Вселенной - например, из-за эффекта Сюняева-Зельдовича или того самого слабого гравитационного линзирования. Это тот случай, когда его регистрируют, чтобы потом максимально точно удалить из снимков реликтового излучения и продолжать считать - укладывается ли его распределение на небе в стандартную космологическую модель. Кроме того, даже самые точные снимки реликтового излучения не могут рассказать нам всего о Вселенной - это похоже на задачу, где у нас всего одно уравнение, в котором несколько неизвестных (например, плотность барионной материи и спектральная плотность темной материи). Слабое гравитационное линзирование, пускай оно и не дает сейчас таких точных результатов (а иногда и вообще плохо согласуется с данными прочих исследований - см. картинку ниже), но это то самое второе независимое уравнение, которое поможет определить вклад каждого неизвестного в общую формулу Вселенной.

Коэффициентами преломления

Направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как обычная линза изменяет направление светового луча.

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 в большинстве случаев не представляется возможным. В этом случае можно обычно 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 практически невозможно. 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 скопления 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 она 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.

Наблюдения

Описание

Существует три класса гравитационных линз :

1. Сильное гравитационное линзирование, вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения.
2. Слабое гравитационное линзирование, вызывающее лишь малые искажения в изображении объекта, который находится позади линзы (далее - объект фона). Эти искажения могут быть зафиксированы только после статистического анализа большого количества объектов фона, что позволяет найти небольшое согласованное искажение их изображений. Линзирование проявляется в небольшом растяжении изображения перпендикулярно направлению к центру линзы. Изучая форму и ориентацию большого количества отдалённых галактик фона, мы получаем возможность измерить линзирующее поле в любой области. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы, чтобы восстановить распределение масс в данной области пространства; в частности, этим методом можно исследовать распределение тёмной материи . Поскольку галактики сами по себе обладают эллиптической формой и искажения от слабого линзирования малы, для использования этого метода необходимо наблюдение большого числа галактик фона. Такого рода обзоры должны тщательно учитывать многие источники систематической погрешности : собственную форму галактик, пространственную функцию отклика светочувствительной матрицы, атмосферные искажения и т. д. Результаты этих исследований важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и развития модели Лямбда-CDM , а также для того, чтобы обеспечить проверку непротиворечивости с другими космологическими наблюдениями.
3. Микролинзирование не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды Млечного Пути их планеты, а источником света - звёзды отдалённых галактик или квазары , находящиеся на ещё более далёком расстоянии. В отличие от первых двух случаев, изменение наблюдаемой картины при микролинзировании происходит за характерное время от секунд до сотен дней. Микролинзирование позволяет оценить количество слабосветящихся объектов с массами порядка звёздных (например, белых карликов) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является одним из методов поиска экзопланет .

Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды электромагнитного излучения , не только на видимый свет. Помимо вышеописанных обзоров галактик, слабое линзирование может изучаться по его влиянию на космическое микроволновое фоновое излучение . Сильное линзирование наблюдалось в радио- и рентгеновском диапазонах.

В случае сильного гравитационного линзирования, если наблюдается несколько изображений объекта фона, то свет от источника, идущий разными путями, будет приходить к наблюдателю в разное время; измерение этой задержки (например, от фонового квазара с переменной яркостью) позволяет оценить распределение масс вдоль луча зрения.

Поиск гравитационных линз

В прошлом большинство гравитационных линз было найдено случайно. Поиск гравитационных линз в северном полушарии (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), который проводили при помощи сверхбольшой антенной решётки в Нью-Мексико, позволил обнаружить 22 новые линзирующие системы. Это открыло совершенно новые пути исследования от поиска очень далёких объектов до определения величин космологических параметров для лучшего понимания вселенной. [ ]

Подобное исследование с южного полушария позволило бы нам сделать большой шаг к завершению исследований с северного полушария, а также к выявлению новых объектов для изучения. Если такое исследование будет проведено при помощи хорошо откалиброванных и хорошо настроенных инструментов и данных, то можно ожидать результата, подобным тому, что было получено в ходе исследования с северного полушария. Примером подходящих данных являются данные, полученные с помощью австралийского телескопа AT20G на базе радиоинтерферометра АТКА. Так как данные были получены с помощью прибора, измеряющего точные данные, похожего на тот, что использовали в северном полушарии, стоит ожидать хороших результатов исследования. AT20G работает на частоте до 20 ГГц в радио полях электромагнитного спектра. Так как используется высокая частота, шансы найти гравитационные линзы вырастает, ведь повышается количество малых базовых объектов (например, квазаров). Это важно, так как проще обнаружить линзу на примере более простых объектов. Этот поиск включает в себя использование интерференционных методов определения примеров и наблюдение за ними в более высоком разрешении. Полное описание проекта сейчас готовится к публикации. [ ]

В 2009 г. в статье в Science Daily [где? ] группа учёных, возглавляемая космологом [кем? ] из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли , шагнула вперёд в использовании гравитационного линзирования для изучения более старых и меньших по размеру объектов, чем было возможно изучить ранее. Учёные утверждают, что слабое гравитационное линзирование улучшает качество измерений отдалённых галактик. [ ]

Теория

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 :

η = D s D d ξ − D d s α ^ (ξ) {\displaystyle \eta ={\frac {D_{s}}{D_{d}}}\xi -D_{ds}{\hat {\alpha }}(\xi)}

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:

α = 4 G c ∫ R 2 (ξ i − ξ ′) Σ (ξ) | ξ i − ξ ′ | 2 , {\displaystyle \alpha ={\frac {4G}{c}}\int _{R^{2}}{\frac {(\xi _{i}-\xi ")\Sigma (\xi)}{|\xi _{i}-\xi "|^{2}}},}

Гравитационное линзирование – один из интереснейших космических эффектов, который способны вызывать практически все крупные объекты во Вселенной.

Линзирование в скоплении галактик Abell 2218

В действительности, гравитационное линзирование – это эффект, который обладают не только крупные, но и мелкие космические объекты. Суть его заключается в том, что когда наблюдатель смотрит на дальний источник света в космосе через другой космический объект, форма дальнего источника света искажается. Такое искажение источника света может быть вызвано звездой или галактикой, через которую проходит свет от отдаленного объекта.

Существуют также данные, свидетельствующие о том, что искажать свет могут не только звезды и галактики, но и малые астрономические тела, например, планеты. Однако в данном случае искажение будет настолько незначительным, что зафиксировать его можно будет только при помощи сверхмощных оптических приборов, да и то зафиксированная величина будет чисто формальной.

Эффект гравитационного линзирования был обнаружен относительно не так давно. Только с появлением новейших телескопов ученым удалось наблюдать этот интересный эффект и детально исследовать механизм его появления. О том, как происходит механизм линзирования мы поговорим в следующем пункте.

Механизм линзирования

По логике, свет, исходящий от дальнего квазара (одного из наиболее ярких объектов во Вселенной) или галактики в направлении Земли, должен попадать на Землю под прямым углом. Однако в некоторых случаях на пути этого света встречается другая галактика или сверхмассивная звезда, гравитационное поле, которое притягивает к себе электромагнитное излучение, направленное отдаленным объектом. Вследствие этого возникает эффект гравитационного линзирования, которому и посвящена эта статья.

Получается, что свет отдаленного объекта, попадая на галактику, находящуюся между ним и наблюдателем, искажает истинную форму источника, который послал его на Землю. Точно так же делает обычная линза. Свет, попадая на нее, искажается. Если посмотреть через нее на объект, пославший свет, мы увидим, что он стал намного крупнее.

Форма, которую гравитационное линзирование придает отдаленному источнику света, может отличаться, в зависимости от того, через какой объект в космическом пространстве проходят его лучи. Известные примеры искажения формы источника света мы приведем в следующем пункте.

Кольцо и Крест Эйнштейна

Современному научному сообществу известно два возможных результата гравитационного линзирования: Кольцо и Крест Эйнштейна. Оба они зависят оттого, через какую структуру в космосе проходит свет. Если свет поступает к наблюдателю через компактную галактику, форма объекта испустившего луч зрительно увеличивается, кроме того, из точки она превращается в окружность. Именно эту окружность ученые называют Кольцом Эйнштейна.

Второе интересное астрономическое явление – Крест Эйнштейна так же вызвано гравитационным линзированием. Принцип его возникновения аналогичен предыдущему. Разница заключается только в том, что свет от отдаленного объекта проходит не через компактную, а через спиральную галактику. В результате этого мы видим фигуру, своей формой напоминающую крест.

Наиболее интересные гравитационные линзы

Эффект гравитационного линзирования астрономам удалось зафиксировать благодаря мощным оптическим приборам. Среди них орбитальный телескоп Хаббл. К примеру, совсем недавно при помощи телескопа был сделан снимок галактического кластера SDSS J1038+4849, состоящего из двух галактик. Излучение одной галактики проходит через другую в результате чего образуется эффект Эйнштейновского Кольца – одной из разновидностей гравитационного линзирования.

Сливающиеся галактики в удаленной части Вселенной: вид через гравитационную линзу

А вот второй схожий объект был обнаружен уже при помощи телескопа Гершель, который был запущен на орбиту в 2009 году. Данный объект представляет собой галактический кластер со сложно запоминающимся именем – H1429-0028. Этот кластер так же, как и предыдущий, состоит из 2-ух галактик, одна из которых выступает линзой. В данном случае вы так же будете наблюдать Кольцо Эйнштейна.

Если же вам интересно увидеть Эйнштейновский Крест, вам придется воспользоваться сверхмощным телескопом. Наведя его на созвездие Пегаса, вы сможете увидеть Крест, который является производным далекого квазара. По некоторым подсчетам он удален от нас на 11 миллиардов световых лет. Спиральная галактика-линза, благодаря которой мы можем наблюдать подобный эффект находится в 10 раз ближе квазара, практически на одной линии с ним.

1. Эффект гравитационного линзирования упоминается в недавно вышедшем фантастическом фильме «Интерстеллар».
2. Эффекты Эйнштейновского Креста и Кольца названы в честь их первооткрывателя – знаменитого физика Альберта Эйнштейна.
3. Визуально наблюдать гравитационное линзирование можно только в тех случаях, когда масса линзы равняется 10 12 масс нашего Солнца.
4. При помощи гравитационного линзирования можно обнаружить неяркие объекты, а потому и невидимые объекты во Вселенной. Когда свет из отдаленного источника попадаете на такой объект, то как бы вспыхивает. Такой эффект называется гравитационным микролинзированием. С его помощью астрономам удалось обнаружить коричневые карлики, которые нельзя было увидеть другим способом.
5. На сегодняшний день использование эффекта гравитационной линзы – единственный способ обнаружить темный, удаленный объект в космосе.

Содержание статьи

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА – массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения. Этот эффект тяготения называют «линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.

Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей.

Эффект гравитационной линзы был предсказан А.Эйнштейном, который в 1915 в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1,75І в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.

Первый, кто использовал термин «линза», говоря об отклонении электромагнитного луча гравитацией, по-видимому, был английский физик Оливер Лодж (1851–1940), который в 1919 отметил, что «гравитационное поле действует, как линза, но не имеет фокусного расстояния». Он оказался прав: поскольку действие гравитации быстро ослабевает с расстоянием от источника (обратно пропорционально квадрату расстояния), фокусирующее действие гравитационной линзы отличается от действия ее стеклянного аналога. Если обычная линза собирает весь падающий на нее свет в одной точке фокуса, то гравитационная линза только отклоняет лучи к оптической оси, но не может собрать их в едином фокусе: чем дальше проходят лучи от источника гравитации, тем на большем расстоянии от него эти лучи пересекаются. Поэтому фокусирующий эффект простейшей (точечной) гравитационной линзы весьма слаб и не может очень сильно увеличить яркость изображения источника света. Такого же мнения придерживался и знаменитый английский астрофизик А.Эддингтон , не веривший в возможность наблюдения эффекта гравитационной фокусировки.

Однако физики продолжали теоретически изучать этот любопытный эффект. Известный петербургский профессор Орест Даниилович Хвольсон (1852–1934) в 1924 опубликовал в немецком журнале «Astronomische Nachrichten» заметку о том, что луч света далекой звезды может быть отклонен притяжением другой звезды-линзы, в результате чего возникнет второе изображение далекой звезды. Однако он заметил, что угол между этими двумя изображениями будет столь мал, что их нельзя увидеть по отдельности с помощью наземного телескопа. В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникнет изображение типа кольца, отмечал Хвольсон.

В 1935 этим эффектом заинтересовался ленинградский астроном Гавриил Адрианович Тихов (1875–1960). В январе 1936 он прочитал об этом лекции в Ленинграде и Пулкове, а в 1938 опубликовал в журнале «Природа» статью под названием Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд . По совету чешского инженера Р.Мандла в 1936 Эйнштейн рассмотрел гравитационное действие одной звезды на излучение другой. Он вычислил коэффициент усиления света и пришел к выводу, что в случае, когда обе звезды и наблюдатель находятся на одной прямой, изображение далекой звезды будет иметь форму кольца. Подобно другим теоретикам, Эйнштейн не верил в возможность экспериментального обнаружения эффекта гравитационной линзы в приложении к обычным звездам, поскольку более близкая к наблюдателю звезда-линза мешает своим излучением разглядеть искаженное и слабое изображение более далекой звезды. В своей статье Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле , опубликованной в журнале «Science» в 1936, Эйнштейн писал: «Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление».

Более поздние работы показали, что ситуация со звездой-линзой еще хуже, чем думал Эйнштейн: любое отклонение формы звезды от идеального шара, например, вызванное ее вращением, только затруднит обнаружение эффекта. И все же эффект был обнаружен.

Межгалактические гравитационные линзы.

В 1937 астроном Ф.Цвикки теоретически пришел к выводу, что эффект гравитационной фокусировки света можно наблюдать в том случае, если линзой является галактика, поскольку ее гравитационное поле очень велико, а средняя поверхностная яркость довольно мала и поэтому не должна сильно мешать наблюдению.

В 1979 английские астрономы Д.Волш и др. впервые обнаружили двойной квазар (QSO 0957+16 A,B) с угловым расстоянием между компонентами A и B около 6І. Красное смещение линий в спектрах обоих компонентов оказалось одинаковым. А когда выяснилось, что оба квазара изменяют свой блеск синхронно, астрономы поняли, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту гравитационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу – далекую галактику, лежащую между Землей и квазаром. Так впервые был обнаружен эффект гравитационного линзирования. Предсказание Цвикки подтвердилось.

К началу 21 в. было найдено уже несколько десятков гравитационных линз. Форма даваемого ими изображения зависит от того, насколько симметрично распределена масса в объекте-линзе и насколько точно на одной прямой располагаются Земля, линза и наблюдаемый сквозь нее светящийся объект. В идеальном случае его изображение должно иметь форму кольце вокруг центра линзы; такое изображение называют «кольцом Эйнштейна» или «кольцом Хвольсона-Эйнштейна». Некоторые из обнаруженных астрономами изображений действительно имеют форму ровного или разорванного кольца, которое возникает при смещении объекта наблюдения относительно линии «Земля – линза».

Для астрономов изучение эффекта гравитационного линзирования важно потому, что оно позволяет выявить массу в любой ее форме – как видимой, так и невидимой. Известно, что многие галактики окружены протяженными коронами из невидимого вещества неизвестного типа. В крупных скоплениях галактик также замечено присутствие «скрытой массы», природа которой неизвестна. Исследуя изображения далеких квазаров, возникшие в результате эффекта гравитационного линзирования, можно весьма детально восстановить распределение темного вещества в коронах галактик и между галактиками.

Переменность блеска, присущая многим квазарам, позволяет с помощью эффекта гравитационной линзы определять постоянную Хаббла , указывающую скорость расширения Вселенной. Для этого измеряют запаздывание во времени, с которым меняют свой блеск разные изображения одного квазара, созданные линзой. Это дает истинную разницу длины световых путей у разных изображений. А относительную разницу дает расчет геометрии лучей по взаимному положению изображений. Вместе это позволяет вычислить истинное расстояние как до линзы, так и до квазара и, следовательно, определить постоянную Хаббла (поскольку скорости объектов легко измеряются по красному смещению линий в их спектрах).

Звездные гравитационные микролинзы.

Вполне возможно, что эффект гравитационной линзы поможет не только выявить невидимое вещество в галактиках, но и понять его природу. Это очень важная задача, поскольку астрономы до сих пор не знают, из чего состоит невидимая корона Галактики, содержащая большую часть ее массы. В какие объекты «расфасована» эта загадочная масса? В принципе, это может быть что угодно – от мельчайших субъядерных частиц (например, нейтрино) до гигантских черных дыр с массами в миллионы масс Солнца? Как определить массу отдельных невидимых носителей скрытой массы? Очевидно, нужно заметить действие их гравитационного поля на другие, видимые объекты.

Было предложено немало идей, как это сделать: маленькие невидимые объекты могут попадать в звезды и планеты, очень крупные невидимки сами могут притягивать к себе звезды и даже, как черные дыры, «глотать» их. Не найдя явных следов таких событий, астрономы решили устроить «засаду» на объекты-невидимки, используя эффект гравитационной линзы: предполагалось искать искажение изображений отдельных звезд. Эту идею одним из первых разработал московский физик А.В.Бялко в конце 1960-х. Поскольку масштаб явления ожидался существенно меньший, чем в мире квазаров и скоплений галактик, то ожидаемый эффект назвали «гравитационным микролинзированием».

В 1990-е годы началось сразу несколько экспериментов по поиску носителей невидимой массы с использованием эффекта гравитационного микролинзирования: польско-американский эксперимент OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), американо-австралийский MACHO (Massive Compact Halo Object) и французский EROS (Experience de Recherche d"Objets Sombres). В каждом из них практически непрерывно измерялась яркость тысяч звезд в надежде, что проходящий между Землей и наблюдаемой звездой невидимый объект своим гравитационным полем исказит ее изображение и изменит его яркость. Именно однократная спонтанная переменность блеска звезды должна указывать на то, что это гравитационный эффект случайного пролета невидимого тела, а не обычная для многих звезд переменность светимости.

За прошедшие годы в указанных экспериментах зафиксировано множество подозрительных случаев, но с выводами астрономы не спешат: нужно накопить большой материал, чтобы данные о невидимых объектах стали надежными. Впрочем, затраченные на эти эксперименты усилия уже окупились: регулярное наблюдение за тысячами звезд помогло выявить среди них множество новых переменных и детально изучить их поведение. Для астрономов, исследующих жизнь обычных звезд, это очень ценная информация. Во время этих же наблюдений были открыты некоторые экзопланеты по вызываемому ими затмению при пролете перед диском звезды. Но все же есть надежда, что и носители скрытой массы будут надежно выявлены в этих экспериментах. Ведь непонятая до сих пор природа невидимого вещества Вселенной – это вызов для современной науки!

В перспективе эффект гравитационной фокусировки найдет более широкое применение в астрофизике. Например, для некоторых типов излучения и частиц, способных проникать сквозь звезды, последние могут служить очень мощными усилителями потока. Например, для гравитационных волн и нейтрино Солнце может играть роль хорошего концентратора. Надо лишь разместить приемную аппаратуру в его фокусе, удаленном от Солнца на 550 астрономических единиц. Такие проекты уже существуют.

Владимир Сурдин

– массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения. Этот эффект тяготения называют «линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.

Блиох П.В., Минаков А.А. Гравитационные линзы . – Природа, № 11, 1982
Сажин М.В., Сурдин В.Г. Астрономические инструменты, созданные природой . «Земля и Вселенная», 1983, № 5
Тернер Э.Л. Гравитационные линзы. «В мире науки», 1988, № 9
Блиох П.В., Минаков А.А. Гравитационные линзы . Киев: Наукова думка, 1989
Блиох П.В., Минаков А.А. Гравитационные линзы . М.: Знание, 1990
Гравитационная фокусировка. – Природа, 1994, № 11
Захаров А.Ф. Гравитационные линзы и микролинзы . М.: Янус, 1997
Сурдин В.Г. Портрет Вселенной сквозь гравитационную линзу . «Знание – сила», 1998, № 9/10

Найти "ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА " на