Самые потрясающие примеры гравитационных линз: Фото. Жаров М. Гравитационное линзирование в астрономии

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.

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

Напомним: искусственный спутник Земли, электрон и фотон притягиваются массой нашей планеты с одинаковым ускорением, равным 9,8 м/с2. Однако двигаются они по разным траекториям. Форма кривой, по которой перемещается любое тело, зависит от величины и направления его начальной скорости. То есть спутник может лететь вокруг земного шара по эллипсу или по гиперболической траектории. Во втором случае ему необходимо сообщить скорость выше 11 км/с. И гипербола будет тем ближе к прямой линии, чем выше скорость тела, пролетающего мимо Земли. Самая большая в природе - скорость света. Поэтому фотоны движутся почти по прямой линии, хотя ее искривления все-таки наблюдаются. Поясним это следующим образом: если провести две касательные линии к траектории фотона, причем одна из них будет расположена до притягивающего тела, а вторая - после него, то они пересекутся под некоторым углом. Он очень мал. Это явление предсказал великий немецкий ученый, иностранный почетный член АН СССР Альберт Эйнштейн (1879-1955), а открыл американский астроном, иностранный почетный член АН СССР Артур Эддингтон (1882-1944) во время одного из полных солнечных затмений. Сам по себе эффект оказался невелик: луч света от далекой звезды, проходя мимо солнечного лимба, отклонился всего на 1,75".

Это явление, но значительно меньшей величины, наблюдается также, если луч от далекого источника проходит мимо более близкой к нам звезды. Два луча света, идущие по разные стороны последней и отклоненные от прямого пути, могут пересечься. И наблюдатель, находящийся в этой точке, увидит два изображения одного и того же космического объекта, что по существу и является эффектом гравитационного линзирования.

В качестве линзы рассмотрим небесное тело, обладающее сферической симметрией (такое же свойство имеет гравитационное поле). Наблюдатель с телескопом высокой разрешающей силы увидит изображение далекой звезды, превратившееся в два «лунных серпа» и зеркально отраженных друг относительно друга. Размеры и блеск их будут различными, но суммарная яркость всегда больше яркости звезды.

Угловое расстояние между двумя главными изображениями (серпами) примерно равно угловому размеру так называемого конуса Эйнштейна (Конус Эйнштейна - воображаемый круг на небе с центром, совпадающим с центром линзы, размер которого пропорционален квадратному корню из массы линзы и обратно пропорционален квадратному корню из расстояния до нее от Земли (прим. авт.)). Однако когда расстояние между линзой и звездой фона значительно превышает указанную величину, второе изображение либо поглощается веществом линзы, либо его поток становится столь малым, что обнаружить данный серпик невозможно. Это и есть слабое микролинзирование, в ходе которого можно обнаружить только нелинейное движение первого изображения звезды.

Напомним: гравитационные поля многих космических объектов не обладают сферической симметрией. Поэтому в результате линзирования может возникнуть несколько изображений одного объекта с разной яркостью. Если в качестве линзы выступает какая-либо галактика, то угловое расстояние между различными изображениями составляет примерно секунду дуги, тогда как при микролинзировании на звезде всего миллисекунду. Увидеть два или более изображений в первом случае трудно, хотя можно, во втором же разделить их с Земли нельзя. Однако на помощь приходит фактор переменности в эффекте линзирования. Коротко поясним сказанное.

В результате гравитационного линзирования два луча света от звезды S, прошедшие по разные стороны

от тела L, пересекаются в точке O, где располагается наблюдатель.

Он увидит два изображения L1 и L2 одной и той же звезды S

Все космические тела, в том числе и линзы, движутся. Правда, внегалактические объекты перемещаются по небесной сфере очень медленно: чтобы тот или иной из них «прошел» расстояние в секунду дуги, требуются сотни тысяч лет. В случае линзирования звезд, когда линзой является другая звезда, движение происходит гораздо быстрее, ибо эти объекты ближе к нам, стало быть, угловая скорость их перемещения выше. Представьте себе аналогию: проезжающий автомобиль на фоне отдаленно летящего самолета. Первый ближе, поэтому проходит большее угловое расстояние за то же время. Самолет же дальше, и кажется, будто он движется медленнее.

Из-за изменения углового расстояния между линзой и звездой меняется суммарный блеск изображений-серпов. Время переменности при микролинзировании составляет от одного до нескольких месяцев.
Отметим также, что согласно принципу эквивалентности тела разной массы падают в поле тяжести с одинаковым ускорением. Значит, два фотона разной час-готы (т.е. имеющие различную энергию, следовательно, и массу) ускоряются одинаковым образом. Иными словами, фотоны разных участков электромагнитного спектра отклоняются на один и тот же угол в поле тяжести тела - линзы.

Впервые эффект гравитационной линзы на внегатактических объектах был открыт примерно двадцать лет назад. Наиболее исследованный из них - квазар QSO 0957+561 А, В. Сейчас же насчитывается их свыше полусотни и число постоянно растет. Угловые расстояния между изображениями в разных линзах меняются и составляют от 0,77 до 6", но существуют объекты с расстояниями в десятки угловых секунд. Они возникают, когда роль гравитационной линзы играет скопление галактик.

Первая хорошо исследованная гравитационная линза квазар QSO 09570+561A, B

Крест Эйнштейна. Квазар QSO 2237+030 находится точно позади ядра массивной галактики.

В результате линзирования образуются четыре изображения, расположенные крестом

Что же касается QSO 0957 +561 А, В, то структура этого объекта детально картографирована, исследование его излучения осуществлено во всем диапазоне - эт радио до оптики. Длительные измерения блеска данного квазара позволили определить постоянную Хаббла (Эдвин Хаббл (1889-1953) - американский астроном, доказал звездную природу внегалактических туманностей, оценил расстояние до некоторых из них, разработал основы их структурной классификации, установил (1929) закономерность разлета галактик. Хаббла постоянная - коэффициент в законе Хаббла, выражающем линейную связь скорости разбегания («разлета») скоплений галактик в зависимости от расстояния до них (прим. ред.)) новым способом. Так как оптические пути, формирующие два изображения, различны, то свет идет по ним разное время. И если в квазаре произойдет вспышка, то она достигнет наблюдателя вначале по кратчайшему пути, лишь затем по длинному, т.е. повторится во втором изображении (в угловой мере эолее близком к галактике-линзе). Измерив разность моментов прихода сигнала, можно определить и разность оптических путей, что в совокупности с известным угловым расстоянием между изображениями позволяет узнать расстояние до квазара и галактики-линзы. Сравнивая его с красным смещением объектов, удастся вычислить и постоянную Хаббла.

Несколько групп ученых, включая специалистов из Специальной астрофизической обсерватории (станция Зеленчукская, Карачаево-Черкессия), измеряли блеск двух компонентов квазара QSO 0957 + 561 А, В примерно 10 лет. Оценки постоянной Хаббла на основании их наблюдений позволили понизить верхний предел ее значения до 70 км/с/мегапарсек. Такая точность сравнима с результатами, полученными другими методами внегалактической астрономии.

Другой объект QSO 2237 + 030 назван «Крестом Эйнштейна». Это квазар с красным смещением z = 1,7. Ядро галактики-линзы обладает квадрупольным (Красное смещение пропорционально разности длины волны спектральной линии от космического источника и длины волны этой же линии, измеренной в неподвижной (лабораторной) системе (прим. авт.); квадруполь - электрически нейтральная в целом система заряженных частиц, которую можно рассматривать как совокупность двух диполей с равными по величине, но противоположными по знаку дипольными моментами, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (прим. ред.)) распределением плотности, в результате чего образуются четыре изображения квазара, расположенных крестом. В таком объекте, помимо измерения постоянной Хаббла, можно попытаться найти и эффект микролинзирования. Он возникает, когда луч «квазар-Земля» пересекает одна из звезд галактики-линзы. В итоге образуется добавочное расщепление луча, появляются дополнительные изображения и изменения их суммарного блеска. Величина расщепления равна нескольким десяткам микросекунд дуги, что не поддается измерению оптическими методами. Однако изменение блеска составляет десятые доли звездной величины, что может быть измерено современными приборами.

Микролинзирование в нашей Галактике было обнаружено в начале 1990-х годов. Тогда два коллектива зарубежных исследователей сообщили о результатах поиска массивных невидимых тел в Галактике по эффекту микролинзирования. В частности, австралийско-американская группа MACHO (Massive Compact Halo Objects) в течение года проводила наблюдения ~2 млн звезд в Большом Магеллановом Облаке. В феврале-марте 1993 г. ученые обнаружили: одна из звезд стала ярче в 7 раз, а затем через 34 дня ее блеск вернулся к прежнему уровню. Астрономы сделали это открытие на 1,27-метровом телескопе обсерватории Маунт-Стромло (Австралия).

В свою очередь, французы - группа EROS (Experience de Recherches d"Objects Sombres) наблюдали 3 млн звезд в Большом Магеллановом Облаке. Они также отметили эффект микролинзирования. Один из объектов повысил свой блеск в 2,5 раза в течение 54 суток, другой - в 3,3 раза за 60 суток. Сейчас известно уже свыше 100 таких событий, произошедших на фоновых звездах указанного Облака.
В современной астрономии актуальной стала и задача определения принципиальных ограничений точности экспериментов, связанных с нестационарностью нашего пространства-времени. Ведь помимо практических нужд, касающихся космоса и навигации, вопрос о предельной точности позиционных измерений затрагивает одно из фундаментальных физических понятий - возможность построения инерциальной системы отсчета, в качестве реперов (Репер - опорная точка с известными координатами и скоростью (прим. ред.)) которой ныне используют квазары.

Нестационарность системы координат вызывается изменением направления прихода лучей света (или радиолучей) на телескопы от далеких, т.е. реперных источников. И существуют две причины этого явления. Во-первых, излучающие области нестационарны. Скажем, движение облаков излучающей плазмы во внегалактическом источнике приводит к видимому движению центра яркости и, следовательно, к переменному положению соответствующего реперного источника. Во-вторых, фотон в общем случае движется не по прямой линии. Отклонения возникают, когда он проходит через среду, обладающую показателем преломления, отличным от единицы, что может быть связано с наличием вещества на луче зрения.

Но существует еще одна причина для распространения света не по прямой линии. Речь идет о нестационарности нашего пространства-времени. Попробуем пояснить основные принципы учета влияния гравитационного поля материальных объектов на построение инерциальной системы отсчета. В астрономии такая система реализуется некоторым количеством объектов, взятых в качестве реперных, и фиксацией физических моментов наблюдений в выбранной системе измерения времени. Сегодня в роли таких реперов как раз и выступают квазары. Их угловые скорости движения очень малы и, значит, поворот системы координат в пространстве тоже невелик. Свет от квазаров к Земле идет по искривленной траектории, определяемой гравитационными полями звезд и других тел нашей Галактики. Однако последние движутся, а потому картина гравитационных полей нестационарна. Соответственно переменной является и траектория луча света от любого квазара к наблюдателю. Все это приводит к изменению положения объекта на небе. Среднеквадратичная величина данных флуктуации является некоторым пределом для определения положения квазара, а также и построения фундаментальных каталогов далеких звезд. Причем угловое отклонение от невозмутденного положения реперного источника, как показывают расчеты, составляет примерно 4 мкс дуги. И это минимальная оценка. Реальные же величины по компьютерному моделированию могут быть в десятки раз больше.

Кроме того, в конце XX в., изучая эффект микро-линзирования, ученые из групп МАСНО и EROS открыли новую популяцию объектов в нашей Галактике - темные тела с массой -0,1 массы Солнца. Их столько, что они определяют кривую вращения Галактики и составляют минимум половину ее массы. Данные тела распределены неравномерно, поэтому астрометрические наблюдения позволят в будущем установить их плотность в окрестности нашего дневного светила.

Рассмотрим теперь вопрос об измерении параллаксов (расстояний) небесных тел от Солнечной системы с учетом эффекта слабого микролинзирования. Определение их прямым тригонометрическим методом, проведенное для большинства источников, может изменить существующую ныне шкалу, а это, в свою очередь, приведет к серьезному пересмотру некоторых задач астрономии.
Необходимо упомянуть: явления, связанные с нестационарностью пространства-времени в нашей Галактике, будут влиять на измерение параллаксов. Поскольку массы и скорости звезд, вызывающих эту нестационарность, в большинстве случаев неизвестны, то восстановить правильные значения расстояний невозможно. А искажения их могут быть столь велики, что параллаксы окажутся отрицательными. До сих пор это ассоциировалось с ошибками измерений. Теперь же необходимо признать: такая ситуация соответствует реальному физическому явлению.

В заключение отметим: действие нестационарных гравитационных полей нашей Галактики на распространение лучей света приводит к тому, что последние начинают двигаться по искривленным траекториям. Соответственно, направление на источник света не совпадает с прямой, соединяющей его и наблюдателя. И еще. Поскольку поля в Галактике нестационарны, то и направление света тоже меняется со временем. Другими словами, видимое положение источника на небе будет испытывать случайное «дрожание». Этот эффект аналогичен «дрожанию» звезды при прохождении света через турбулентную (Турбулентный - беспорядочный, бурный. Наиболее распространенное течение жидкости или газа, которое характеризуется сильным перемешиванием, интенсивным массо- и теплообменом (прим. ред.)) атмосферу Земли. Только в данном случае нестационарные течения воздуха приводят к изменению траектории фотонов от звезды в атмосфере. Разница заключается лишь в характерных амплитудах дрожания и временах. Размах вариаций координат, который вызывается микролинзированием, составляет величины порядка 1-50 мкс дуги, а времена - десятки или даже сотни лет. Отдельные «выбросы» могут достичь величин в сотни угловых микросекунд, однако это нестационарные процессы с характерным временем от нескольких месяцев до года. Они не могут оказать существенного влияния на построение фундаментальных астрометрических каталогов. Тем не менее через несколько десятков лет происходит полная смена положения практически всех реперных источников. Стало быть, каталоги высокой точности нужно пересматривать приблизительно каждые тридцать лет для установления новой опорной сетки небесных координат.

Микролинзирование, таким образом, устанавливает предел определения расстояний во Вселенной точными астрометрическими методами.

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

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

– 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

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.