Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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

– 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

В. Жаров, М. Сажин

Гравитационное линзирование в астрономии

С точки зрения физики вещество, окружающее человека в повседневной жизни, состоит из барионов, лептонов и фотонов, т.е. трех типов стабильных частиц. С позиций же астрономии - это один вид материи, называемой видимой. Однако в 30-е гг. XX в. ученые обнаружили так называемую «темную», не видимую телескопами материю. Ее существование доказано измерением скоростей звезд нашей Галактики, а также по вращению других звездных систем. В конце XX в. был открыт еще один вид материи, называемой сейчас «квинтэссенцией». Темная материя и квинтэссенция принципиально разные. И если первую в будущем, вероятно, можно будет исследовать в лабораторных условиях, то вторую - только астрономическими методами.

Оценить количество невидимой материи в какой-либо галактике можно несколькими способами. Один из них - гравитационное линзирование, т.е. использование эффекта искривления лучей, проходящих вблизи массивных объектов.
Что представляет собой этот процесс? Известно, что в природе существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первое отвечает за связь между ядрами и электронами в атоме, обеспечивает силы упругости в твердых телах, трения. Его переносчик - электромагнитное поле, точнее, фотоны, дающие нам основную часть информации о Вселенной. Второе начинает действовать лишь на сверхмалых расстояниях. Третье оказывает влияние на стабильность ядра, связывает в нем протоны и нейтроны. Четвертое стоит особняком, оно универсально: все частицы, независимо от состава, одинаково ускоряются гравитационным полем, что соответствует фундаментальному принципу общей теории относительности. Радиус его действия бесконечен - от лаборатории до масштабов Солнечной системы и даже Вселенной.

Если угловое расстояние между звездой S и телом L меньше конуса Эйнштейна (пунктир),

то изображение далекой звезды S превращается в два "лунных серпа",

зеркально отраженных друг от друга

Доктор физико-математических наук Владимир ЖАРОВ, заведующий кафедрой небесной механики, астрометрии и гравиметрии физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, лауреат Премии им. Рене Декарта (Евросоюз);
доктор физико-математических наук Михаил САЖИН, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова

"Наука в России", № 2, 2007

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».

Невероятные возможности

Эволюция телескопов привела нас к созданию гигантов с диаметром 30 метров и фокусным расстоянием почти полкилометра (таким будет строящийся великан ТМТ). Но природа уже создала гигантские оптические системы, нам надо только грамотно их использовать. Невозможно построить телескоп размером с Солнечную систему, да и незачем, ведь он уже существует!

Еще в 1912 году гениальный Эйнштейн предсказал, что гравитация массивного тела будет искривлять световые лучи. В 1935 году чешский инженер Мандл в своем письме Эйнштейну высказал предположение, что близкие к нам звезды могут искажать свет более далеких звезд, создавая эффект гравитационной линзы . В своем ответе, опубликованном в журнале Science в 1936 году, Эйнштейн согласился с существованием такого явления, но выразил сомнение в возможности его использования.

Кольца Эйнштейна

В 1970 году группой астрономов в обсерватории Китт-Пик в Аризоне был обнаружен двойной квазар QSO 0957+561 A/B, компоненты которого были расположены очень близко и были похожи по характеристикам. При более подробном изучении оказалось, что это один и тот же объект, изображение которого раздвоено гравитационным линзированием далекой галактики. В 1987 году астрономом Жаклин Хьюит с помощью радиотелескопа было впервые зарегистрировано изображение далекого источника сигнала, гравитационным линзированием превращенное в так называемое кольцо Эйнштейна. На сегодняшний день открыто множество гравитационных линз, превращающих далекие объекты в кольца, двойные кольца и их фрагменты.

Гравитационная линза Солнца

Хотя все открытые на сегодняшний день гравитационные линзы во вселенной – галактики, звезды тоже могут сыграть такую роль. Ближайшая точка гравитационного фокуса нашей звезды (откуда вокруг Солнца можно увидеть кольцо Эйнштейна), расположена от него в 550 астрономических единицах (1 а. е. это среднее расстояние от Земли до Солнца). Концепция космического аппарата, который сможет добраться до гравиационного фокуса Солнца, была предложена еще в 1979 году Воном Эшлеманом из Стэнфордского университета, позже эта идея неоднократно рассматривалась многими известными учеными. В 190-х годах эта идея получила второе дыхание благодаря итальянскому астроному Клаудио Макконе, предложившему проект FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), цель которого – отправить космический аппарат к гравитационному фокусу Солнца.

Холодная реальность

Впрочем, на сегодняшний день отправка космического аппарата на такое большое расстояние – это теория. Для полета подобного аппарата в ближайшую точку гравитационного фокуса понадобится более 50 лет. Но для получения качественного изображения нужно забраться еще дальше, чтобы не получить помехи от солнечной короны. Но это только начало проблем, ведь возникнут большие трудности с наведением оптики. Для поворота такого телескопа даже на один градус, космический аппарат нужно переместить на 10 а. е., что составляет расстояние от Земли до Сатурна. В реальности подобную систему можно применять для наблюдения только одного, заранее выбранного объекта, например, экзопланеты.

Впрочем, размер изображения планеты величиной с Землю на расстоянии около десяти световых лет в фокальной плоскости составляет многие километры.

Один вместо тысяч

Возможности, которые открывает доступ к гравитационной линзе Солнца, очень велики. Подобный способ позволит получать детализированные изображения далеких звезд и галактик, для которых понадобились бы мощности тысяч обычных телескопов

Клаудио Макконе, руководитель направления космических научных исследований Международной академии астронавтики (IAA) и председатель постоянного комитета IAA по SETI (поиску внеземного разума): «Где бы в космосе ни были разумные существа вроде нас, они будут стремиться исследовать Вселенную. И они, и мы хотим пролить свет на самые дальние уголки космоса. Для этой цели мы строим все более мощные телескопы различных типов. Но по мере накопления знаний любая цивилизация начинает понимать, что природой дан ей великий дар: линза столь мощная, что никакая приемлемая технология не способна повторить ее или превзойти. Эта линза - звезда цивилизации, в нашем случае - Солнце. Гравитация любой звезды искривляет пространство, влияя на траекторию любой частицы или волны таким образом, что создает изображение объекта, как это делают знакомые нам обычные линзы».