Дмитрий Вибе

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЛИНЗЫ

Опубликовано в журнале Звездочет 1998, N6, с.21

Двадцать девятого мая 1919 года черная тень накрыла остров Принсипи у западного побережья Африки. Диск Луны на короткий срок заслонил дневное светило, оставив счастливчикам, оказавшимся в полосе полного затмения, только призрачное сияние солнечной короны. Но группу английских астрономов, возглавляемую знаменитым астрофизиком сэром Артуром Эддингтоном, интересовала вовсе не корона и не протуберанцы. Предметом их пристального интереса были зажегшиеся ненадолго вокруг "погасшего" Солнца звезды. Англичане рассчитывали обнаружить их кажущееся смещение вследствие искривления световых лучей у поверхности ближайшей к нам звезды, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна.

Однако для доказательства истинности теории относительности мало было убедиться, что фотоны действительно отклоняются от своей начальной траектории в сильном гравитационном поле. Об этом писали еще во времена Ньютона, и это не удивительно - тогда ученые считали, что световой луч состоит из мельчайших частиц вещества. Следовательно, вместе со всеми остальными телами Вселенной он должен подчиняться закону всемирного тяготения, двигаясь вблизи гравитирующей массы не по прямой, а по гиперболе. Для внешнего наблюдателя это должно выглядеть так, словно источник света (например, звезда) немного "отодвинулся" от притягивающего тела (в данном случае - Солнца).

Подобное же смещение предсказывают и уравнения Эйнштейна. Но классическая теория гравитации и теория относительности дают разные значения угла отклонения фотона от начальной траектории вблизи солнечной поверхности: 0.87 угловой секунды по Ньютону и в два раза больше по Эйнштейну. Это связано с тем, что согласно теории относительности луч света изгибается по двум причинам: во-первых, из-за ньютоновского притяжения, а во-вторых, из-за искривления пространства-времени в сильном гравитационном поле. Естественно, что отклонение светового луча в обеих теориях возрастает с массой тела и в Солнечной системе достигает заметных (в буквальном смысле слова!) значений только при наблюдении звезд, оказавшихся на небесной сфере вблизи Солнца. Именно за ними и "охотились" у берегов Африки английские астрономы.

Кстати сказать, при этом они преследовали не только чисто научный интерес, они надеялись, что удачные измерения избавят их от некоторых бытовых трудностей. Дело в том, что Эддингтон был настолько страстным сторонником теории относительности, что еще перед отъездом из Англии королевский астроном Фрэнк Дайсон предупредил остальных членов экспедиции: "Если результаты окажутся отрицательными, Эддингтон сойдет с ума, и домой вы вернетесь без него".

Но все опасения оказались напрасны. Измерив координаты звезд около солнечного диска на фотопластинках, Эддингтон обнаружил, что те сместились относительно своих обычных положений более чем на полторы угловых секунды - в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна. Окончив измерения, Эддингтон успокоил коллег, что его рассудок вне опасности. Искривление световых лучей, предсказанное Эйнштейном и обнаруженное Эддингтоном, стало первым экспериментальным подтверждением общей теории относительности.

Многие ученые, в том числе и сам Эйнштейн, понимали, что гравитационное поле, изгибая лучи света, действует подобно линзе и потому способно не только "сдвигать" звезды, но и строить изображения объектов, находящихся за ним. Вероятно, тогда же, в 20-е годы, появилось и словосочетание "гравитационная линза". Однако никто не надеялся, что изображение, построенное гравитацией, будет когда-либо обнаружено в природе. Появилось лишь несколько теоретических работ о том, как должно выглядеть изображение звезды, если между ней и наблюдателем окажется другая звезда - линза, с примечанием, что вероятность осуществления такой конфигурации пренебрежимо мала.

Ситуация изменилась, когда Эдвин Хаббл доказал, что наша Галактика - лишь один из безграничного множества звездных островов и что звезды - не единственные гравитирующие объекты мира. В 1937 году американский астроном Фриц Цвикки высказал предположение, что гравитационные линзы удастся обнаружить при наблюдениях более массивных и протяженных объектов - удаленных галактик и их скоплений, которые занимают на небе значительную площадь и, следовательно, перекрываются чаще.

Но все-таки прошло еще сорок лет, прежде чем первая природная гравитационная линза действительно была найдена. Открытие произошло при наблюдениях двойного квазара QSO 0957+561, удаленного от нас более чем на 2500 Мпс (8 млрд. световых лет). Исследуя его компоненты А и В, удаленные друг от друга на небе на 6 угловых секунд, американские астрономы были поражены их практически полной тождественностью. Единственное отличие заключалось в том, что колебания яркости компонентов происходили не одновременно, а с разницей приблизительно в один год.

Не найдя других объяснений, Д. Уолш и его коллеги в 1979 году объявили об обнаружении первого изображения, построенного гравитационной линзой. А вскоре после этого была обнаружена и "виновница торжества" - гигантская галактика, расположенная на расстоянии в 1 Мпс (более 3 млн. световых лет) от Земли, и разделившая своим притяжением излучение квазара надвое.

Галактика-линза немного смещена в сторону от линии Земля-квазар, поэтому ход лучей в системе несимметричен - фотонам, огибающим галактику с одной стороны, приходится преодолевать большее расстояние, чем фотонам с другой стороны, поэтому они и прибывают к нам с опозданием на год. Мы еще вернемся к рассмотрению этого запаздывания, а пока лишь отметим, что в исследованиях линзируемых объектов временная задержка сигнала играет очень большую роль.

В отличие от обычного стекла гравитационные линзы способны строить не одно, а два и более изображений объекта, часто усиленных и искаженных. В простейшем случае, когда размеры источника и линзы невелики, изображение источника "размножается" на два и более компонентов. Кроме "первенца" - квазара QSO 0957+561 - прекрасным примером такого "клонирования" может служить, например, знаменитый квазар Крест Эйнштейна, расстояние до которого оценивается в 2500 Мпс (более, чем 8 млрд. световых лет). Изображение самого квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними - линзирующая галактика, расположенная примерно в 20 раз ближе квазара.

Если же размеры линзы более существенны, то изображения удаленных источников - квазаров и галактик - вытягиваются в дуги. Чтобы проиллюстрировать возникновение этих дуг, ученые из астрофизического центра Гарвардского университета (США) рассчитали на компьютере, как выглядело бы одно из зданий в Вашингтоне, если бы перед ним оказалась черная дыра с массой, равной массе Сатурна.

Знакомая картина, не правда ли? Что-то похожее можно увидеть сквозь изогнутое дно стакана или возле пузырька, застывшего в оконном стекле. Классический пример такой картины в далеком космосе - снимок скопления галактик Абелл 2218, полученный на Космическом телескопе им. Хаббла. Это компактное и богатое галактиками скопление, удаленное от нас на 300 Мпс (1 млрд. световых лет), окружено сотней светящихся арок - так гравитационное поле скопления исказило изображения галактик, расположенных в 5-10 раз дальше него.

Еще один, исключительно редкий вид изображений, создаваемых гравитационными полями, - так называемые Кольца Эйнштейна - возникает, когда источник света, линза и наблюдатель практически точно расположены на одной прямой. (Об открытии одного из таких колец вы можете прочитать в разделе новостей этого номера - прим. редакции).

Гравитационные линзы - бесспорно, одно из самых чудесных явлений природы. Они не только являются замечательным доказательством истинности теории относительности Эйнштейна, но и служат средством для поиска ответов на многие вопросы о структуре и эволюции Вселенной. Американский астроном Фриц Цвикки назвал их природными телескопами, и это не преувеличение. Примером (правда, скорее отрицательным) может служить галактика со скучным обозначением FSC 10214+4724. Сразу после открытия в 1991 году ей присвоили звание самой яркой галактики видимой Вселенной. Но тщательный анализ показал, что это самая обычная галактика, чья яркость была усилена гравитационной "лупой".

Исследования гравитационных линз проливают свет на самые темные (в буквальном смысле слова) тайны Вселенной. Именно "картографирование" темного, не видимого в телескопы вещества - одно из самых многообещающих применений изучения гравитационных линз.

До сих пор все попытки определить среднюю плотность Вселенной из наблюдений дают значения, существенно меньшие ее критической величины, необходимой, чтобы затормозить расширение нашего мира. Но непосредственным наблюдениям доступна только материя, достаточно мощно излучающая электромагнитные волны, тогда как в последнее время появилось много свидетельств того, что светящееся вещество - лишь вершина айсберга, плавающего в "море" темного вещества. Так, например, ученые обнаружили, что для обеспечения наблюдаемых высоких скоростей движения галактик в скоплениях, их массы должны в несколько раз превышать массу светящегося в них вещества (кстати, и на это первым обратил внимание Фриц Цвикки). Что представляет собой эта темная материя, до сих пор остается тайной, но она выдает себя, искажая траекторию полета фотонов, рожденных в далеких галактиках.

Сейчас учеными разработаны методы, позволяющие по наблюдениям гравитационной линзы, восстановить распределение материи как в самой линзе, так и в источнике света. Иногда линзу удается обнаружить оптическими наблюдениями, но часто случается так, что искривление света - единственное свидетельство наличия на луче зрения большого скопления вещества. Так, фотографии квазара MG2016+122 из созвездия Дельфина говорят о том, что свет от него преломляется мощной гравитационной линзой, представляющей собой скопление галактик (Звездочет, 1998 г., N4, стр. 7). Однако наблюдения на самых мощных оптических телескопах не смогли обнаружить ничего, что могло бы вызывать отклонения света квазара! Таким образом, благодаря эффекту гравитационного линзирования астрономам удается находить целые скопления галактик-призраков. Правда, пока даже учет скрытой массы, "выявленной" подобным образом, не позволяет поднять среднюю плотность Вселенной до критической отметки.

Однако это еще не все. Если линзы позволяют выявить концентрации скрытой массы с размерами порядка скоплений галактик, нельзя ли использовать их для поиска более крупных образований? Первые шаги в этом направлении уже делаются, и их результаты позволяют надеяться, что в будущем, когда будет накоплено больше данных о линзах, мы сможем строить карты сверхскоплений галактик и даже (кто знает?) найдем загадочные космологические суперструны (см. Звездочет, 1998 г., N1, стр. 14).

Другое важное применение гравитационных линз - измерение расстояний до сверхдалеких объектов, излучение которых слишком слабо, чтобы их удаление можно было оценить другими способами. Систему измерения расстояний до небесных тел называют иногда "лестницей", каждая ступенька которой опирается на предыдущую. Непосредственные значения расстояний получаются только из тригонометрических параллаксов. С их помощью прокалибрована шкала расстояний до цефеид, которые, в свою очередь, служат эталоном для измерения расстояний по красному смещению, Сверхновым и так далее. Стоит совершить ошибку на одной из ступенек, и вся основанная на ней "лестница" оказывается неточной. Так, например, недавнее уточнение значения параллаксов для цефеид, проведенное с помощью астрометрического спутника "Гиппарх", привело к переоценке шкалы расстояний и возраста Вселенной (Звездочет, 1997 г., N11-12, стр. 12).

Гравитационные линзы предлагают ученым уникальную возможность определить расстояния до сверхдалеких объектов, не опираясь на промежуточные "стандартные свечи". Детальное исследование структуры линзы и измерение запаздывания светового сигнала в различных изображениях одного и того же объекта позволяют восстановить геометрию системы, определив тем самым расстояние до линзируемой галактики.

Астрономы Иен Смэйл, Ричард Эллис и Жан-Поль Кнайб (США-Франция) попытались применить этот метод к самой яркой галактике, линзируемой скоплением Абелл 2218. Построив модель линзы, они установили, что красное смещение галактики заключено в пределах 2.5-3 (3400 Мпс или 11 млрд. световых лет). Последующие спектроскопические измерения показали, что в действительности оно равно 2.5. Так расстояние до галактики впервые было определено непосредственно, без использования вторичных эталонов. А от расстояния - прямой путь к постоянной Хаббла и возрасту Вселенной!

Но не думайте, что гравитационное линзирование есть нечто, удаленное от нас на грандиозные времена и расстояния. Оно возможно и рядом - на "задворках" нашей собственной Галактики, и вопрос о нем возникает опять же в связи со скрытой массой. Напомним, что звезды 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 "отходами" звездообразования - нейтронными звездами, черными дырами, белыми и коричневыми карликами.

В 1986 году известный астроном Богдан Пачински предложил использовать для обнаружения этих объектов эффект "микролинзирования", тот самый, в вероятность которого не верили ученые начала века во главе с Эйнштейном. Впрочем, их трудно упрекнуть в излишнем скептицизме. Конечно, ждать прохождения одной звезды Галактики точно перед другой пришлось бы очень долго (ведь самого факта прохождения мало, важно еще и в нужный момент посмотреть в нужном направлении!). Но теперь мы знаем, что для поиска микролинзирования есть более подходящие "мишени" - Магеллановы Облака и Туманность Андромеды. Когда множество звезд сосредоточено в небольшой области неба, засечь прохождение компактного объекта из гало нашей Галактики гораздо легче, особенно, если для этого используются автоматические телескопы.

В настоящее время в мире одновременно осуществляется сразу несколько программ по поиску микролинз. Их цель - поиск повышения яркости звезд в момент пересечения луча зрения компактным массивным объектом. В этом случае гравитационная линза действует как обычное увеличительное стекло, "приближая" к Земле звезду из соседней галактики.

Как отличить это событие от обычной звездной переменности? У микролинзирования есть несколько характерных признаков: симметричность кривой роста и падения яркости, ее одинаковая форма во всех цветах (гравитационные линзы ахроматичны!), независимость частоты явления от спектрального класса, отсутствие повторных всплесков у одной и той же звезды.

Увы, пока результаты этих наблюдений проблемы скрытой массы не решают. Например, группа MACHO (Австралия, Великобритания и США), отслеживая в течение двух лет изменения яркости 8 млн. звезд в Большом Магелановом Облаке, зафиксировала всего около 10 кандидатов в микролинзы - значительно меньше ожидаемого количества. Но подобные наблюдения в настоящее время только разворачиваются, и делать окончательные выводы пока рано.

Одним словом, гравитационные линзы - весьма многообещающее явление, способное привести к самым неожиданным открытиям как в нашей Галактике, так и в самых далеких уголках Вселенной. Эта область астрономии быстро развивается в ожидании преимуществ, связанных с применением метода, позволяющего получать независимое подтверждение старых результатов и совершенно новые данные, недоступные традиционным астрономическим методам.

Для комментариев

Возврат к списку научно-популярных статей

На домашнюю страницу