Методические материалы, статьи

Портрет вселенной сквозь гравитационную линзу

Наш предыдущий рассказ о космологии в пятом номере журнала за этот год закончился на том, что недавно титул самого далекого объекта Вселенной вновь поменял своего владельца. С помощью десятиметрового телескопа имени У.Кека (о.Гавайи) была открыта галактика, у которой красное смещение линий в спектре составляет z = 4,921. А это означает, что ее расстояние от нас около десяти миллиардов световых лет и что мы видим ее такой, какой она была десять миллиардов лет назад, то есть спустя совсем малое время после начала расширения Вселенной.

Весьма впечатляющее открытие. Его авторы — М.Франкс из университета в Гронингене (Нидерланды) и Г.Иллингворт из Калифорнийского университета в Санта-Круз (США), — понимая, что в руках у них уникальный объект, продолжили его исследование с помощью самой мощной астрономической техники. Когда изображение галактики-чемпиона было получено космическим телескопом имени Хаббла, оказалось, что эта звездная система имеет необычную дугообразную форму. Астрономы знают — таких галактик не бывает! Поэтому авторы открытия заявили, что реальная форма галактики искажена эффектом «гравитационной линзы». Что же это за «линза», сквозь которую мы можем рассматривать галактики?

«Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление.»
А.Эйнштейн, из статьи «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле», 1936 год

Эффект Эйнштейна

Отклонение луча света при его прохождении близ массивного тела — явление вполне очевидное, если только считать свет потоком корпускул, как это делали многие физики XVIII века. В таком случае для частиц света справедливы законы ньютоновой небесной механики. Используя их, немецкий ученый Зольднер рассчитал в 1801 году, что луч света от далекой звезды, проходящий вблизи поверхности Солнца, должен отклониться на 0,87 угловой секунды. Но вскоре, благодаря опытам Френеля, в физике утвердилась волновая теория света, и о работе Зольднера надолго забыли. Лишь в 1915 году, создавая общую теорию относительности, Альберт Эйнштейн вновь рассчитал отклонение света в поле Солнца (но уже в рамках новой физики) и получил вдвое больший угол: 1,75 угловой секунды. Это различие и стало одним из тестов для новой теории гравитации.

Ожидаемый Эйнштейном эффект был экспериментально подтвержден уже в 1919 году: тогда во время полного солнечного затмения экспедиция астрономов под началом Артура Эддингтона определила, что изображения звезд, видимые близ края солнечного диска, немного смещаются относительно своих обычных мест на небе. Искривляя лучи звезд, Солнце заставляет их изображения отступать от центра светила именно на ту ничтожную величину, которую предсказал Эйнштейн и которую (к счастью для него) астрономы с их легендарной «астрономической точностью» умеют измерять. Эффект едва заметен для чувствительнейших приборов, и мало кто мог ожидать тогда, что это тончайшее явление когда-нибудь породит важную научную методику.

Гравитационная линза

Но астрономы сразу же обратили внимание на эффект Эйнштейна: ведь массивное тело отклоняет лучи света так же, как объектив телескопа — то есть по направлению к оптической оси. Следовательно, где-то далеко лучи должны собраться в точке фокуса. Расстояния эти действительно велики: ближайшая к Солнцу точка его фокуса расположена в 550 раз дальше Земли. Впрочем, большие расстояния не пугают астрономов, у которых «лабораторный стол» — это весь необъятный космос. Поэтому англичане О.Лодж и А.Эддингтон уже в 1919 — 1920 годах рассматривают свойства «гравитационных линз», но оптимистических выводов еще не делают.

Трудно представить, что в России тех лет кого-то могла взволновать эта экзотика, однако же в 1924 году гравитационные линзы обсуждает знаменитый петербургский профессор физики Орест Даниилович Хвольсон. В 1935 году ими заинтересовался ленинградский астроном Гавриил Адрианович Тихов, прочитавший в январе следующего года лекции о них в Ленинграде и Пулкове, а в 1938 году опубликовавший статью об этом в журнале «Природа».

Впрочем, в те годы интерес к гравитационным линзам уже ощутим. Сам Эйнштейн публикует в журнале «Science» сообщение, отмечая, как это видно из эпиграфа к нашей статье, весьма пессимистические перспективы практического использования таких «линз». Более поздние работы показали, что ситуация со звездой-линзой еще хуже, чем думал Эйнштейн: любое отклонение формы звезды от идеального шара, например, вызванное ее вращением, только затруднит обнаружение эффекта.

Вообще говоря, заметить эффект гравитационной линзы можно по характерному изображению находящегося за ней далекого источника. Если наблюдатель расположен точно на оптической оси идеальной линзы, то это изображение выглядит ярким кольцом (известным теперь как «кольцо Эйнштейна»), а когда наблюдатель смещается в сторону от оси, кольцо тускнеет и разрывается на две дуги, которые стягиваются в точки. Причем одна из них приближается к центру линзы, бледнеет и совсем пропадает, а вторая удаляется от линзы и становится неискаженным изображением источника. Если же гравитационное поле линзы не идеально сферическое, то изображение значительно усложняется и «разваливается» на много частей; распознать в нем указанный эффект становится уже совсем нелегко.

Не менее важно и то, что сама звезда-линза при этом является мощным источником света, расположенным к наблюдателю гораздо ближе изображаемого ею объекта. Ослепляющее действие такой линзы можно преодолеть только в том случае, если она значительно усиливает яркость изображения источника. Это, в принципе, возможно, но только в тот короткий момент, когда наблюдатель располагается точно на оптической оси линзы, попасть на которую случайно, да еще сидя на несущейся в пространстве Земле, шансы невелики.

Но где же те реальные объекты, которые могут играть роль подобных линз? Наше Солнце расположено слишком близко к нам — искривленные им лучи у Земли еще не фокусируются. А ближайшие из звезд так далеки, что размеры колец Эйнштейна вокруг них должны быть в сотые доли угловой секунды. Да и то лишь в том случае, если нам повезло и за одной из них спрятался яркий источник. Во времена Эйнштейна большинство астрономов воспринимали идею поиска такого теоретического изыска как пустую трату времени.

Космические миражи

Но все же нашелся один молодой ученый, весьма серьезно отнесшийся к затее с гравитационными линзами. Это был швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898 -1974), проработавший большую часть жизни в США, в Калифорнийском технологическом институте. В 1937 году он высказал мысль, что искривлять световые лучи может не только одна звезда, но и группа звезд. Скажем, целая галактика или даже гигантское скопление галактик. Как раз тогда Цвикки обдумывал, как можно измерить массу скопления галактик, и понял, что искривление света — подходящий индикатор для этого.

Вообще, Фриц Цвикки был удивительно многогранный и плодовитый ученый: он высказал много предвидений, часть из которых подтвердилась еще при его жизни. Например, он предсказал, что при взрыве сверхновой должна рождаться нейтронная звезда, и в конце шестидесятых действительно стал свидетелем открытия нейтронных звезд на месте взрывов сверхновых. Но предсказанное им отклонение света галактиками впервые было обнаружено лишь в 1979 году, когда группа астрономов из Англии и США случайно нашла двойное изображение квазара, образованное, как выяснилось, гравитационной линзой, в качестве которой выступила эллиптическая галактика.

Если в начале нынешнего века отклонение света в поле тяготения едва удавалось заметить, то к концу века этот тонкий эффект превратился в мощный инструмент астрономии. Сейчас с его помощью пытаются решить загадку темной материи, окружающей галактики и проявляющей себя гравитационным полем, но, по-видимому, не излучающей электромагнитных волн.

Роль удаленного источника излучения, просвечивающего гравитационную линзу, обычно играют квазары — объекты гигантской мощности, вероятно, активные ядра молодых, а значит, очень далеких галактик. Роль линзы при этом исполняет более близкая к нам массивная галактика или целое их скопление. За неполные два десятилетия астрономы обнаружили уже более двадцати гравитационно линзированных квазаров, чьи изображения сильно искривлены или даже расщеплены в поле массивного, но сравнительно тусклого объекта. Именно искаженные изображения позволяют выявлять гравитационные линзы, ведь их оптические свойства весьма далеки от совершенства: они не столько фокусируют лучи, сколько переиначивают их ход.

Квазары в комнате смеха

Если бы массивная галактика была идеально круглая, а квазар лежал прямо на ней, то его точечное изображение превратилось бы в «кольцо Эйнштейна». Однако галактики имеют сложную форму, а квазары могут располагаться как угодно, поэтому их изображения в гравитационной линзе обычно представляют систему из нескольких, в простейшем случае — из двух тесно расположенных пятен. Отличить два изображения одного квазара от двух видимых по соседству разных квазаров помогает их высокая активность и переменность блеска: если два изображения мигают синхронно, значит они принадлежат одному квазару.

Правда, иногда одно изображение повторяет «подмигивания» другого с некоторым запаздыванием во времени. Если изображений несколько, то у каждого из них своя временная задержка, поскольку свет каждого изображения добирается до нас своим путем. Измеряя задержку между одинаковыми колебаниями яркости у двух изображений квазара, составляющую от нескольких месяцев до нескольких лет, легко можно вычислить разницу в длине путей светового луча. А если удастся определить форму галактики, то по задержке времени можно найти ее истинный размер. Сравнив его с наблюдаемым угловым размером галактики, легко узнать расстояние до нее, а по положению линий в ее спектре — скорость удаления от нас. Наконец, поделив эту скорость на расстояние, астрономы определяют постоянную Хаббла — фундаментальную величину, описывающую важнейшее свойство Вселенной.

Все это легко в теории, но на практике такая работа требует высочайшего мастерства наблюдателей, причем не только во владении телескопом, но и в применении мощных математических методов обработки изображений. Изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить искаженное ее влиянием изображение квазара. Слабое изображение галактики тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они суперслабые: не ярче настольной лампы, зажженной на Луне). И все же астрономы взялись за эту задачу.

Недавно группа Фредерика Курбина (Институт астрофизики, Льеж, Бельгия) исследовала на Европейской южной обсерватории (Ла-Силла, Чили) квазар НЕ 1104 -1805, подвергшийся гравитационному линзированию. Отклоняющую свет галактику удалось обнаружить в инфракрасном диапазоне спектра, поскольку именно в этот диапазон сдвинут за счет эффекта Доплера максимум в спектре излучения удаляющейся от нас звездной системы. Квазар же с красным смещением z = 2,3 и раздвоенным гравитационной линзой изображением был открыт в 1993 году. Наблюдения в оптическом диапазоне позволили в 1995 году заметить между изображениями квазара слабый объект неясной природы. И только в 1997 году с помощью новой техники и математических методов обработки изображений удалось понять природу этого объекта.

Получив серию снимков в инфракрасном диапазоне и использовав новый алгоритм для повышения качества изображений, астрономы добились углового разрешения 0,27 угловой секунды, которое прежде было доступно лишь космическому телескопу. Правда, и при этом получить спектр слабой галактики, зажатой между двумя яркими изображениями квазара, не удается. Но поскольку в спектре квазара видны линии поглощения с красным смещением z = 1,66, то совершенно очевидно, что они принадлежат лежащей перед ним галактике. Так удалось узнать ее красное смещение, которое соответствует скорости удаления от нас около двухсот тысяч километров в секунду и расстоянию от шести до девяти миллиардов световых лет.

Если галактика-линза действительно расположена на таком расстоянии, то задержка во времени между вариациями блеска двух изображений квазара должна составлять три-четыре года. Измерив эту величину, астрономы надеются через несколько лет существенно уточнить постоянную Хаббла. Так, шаг за шагом, мы приближаемся к разгадке тайны Вселенной.

Отсутствие фактов — тоже факт

Гравитационная линза быстро становится рабочим инструментом астрофизики. Можно даже сказать — рутинным инструментом, поскольку важным фактом считается не только обнаружение эффекта линзы, но и его отсутствие в некоторых обстоятельствах. Например, недавно, проанализировав данные орбитальной гамма-обсерватории «Комптон», ученые США открыли протяженное гало из жесткого излучения, окружающее нашу Галактику. Для объяснения этого явления было предложено несколько версий.

Во-первых, гамма-кванты могут порождаться космическими лучами, частицы которых при столкновении с оптическими или инфракрасными фотонами передают им свою энергию и превращают их в кванты жесткого гамма-излучения (кстати, этот эффект, как и спутник-обсерваторию, называют именем Комптона). Вокруг некоторых галактик ореол из таких квантов наблюдается. Но в нашей Галактике для этого, как полагают, маловато космических лучей.

Источником гамма-квантов могли бы быть и нейтронные звезды — пульсары. Но для обеспечения наблюдаемой интенсивности их количество в гало Галактики должно быть огромным. И вот тут на сцену выходит эффект гравитационного линзирования: если в гало Галактики так много пульсаров, то почему они не проявляют себя в качестве гравитационных микролинз? Это серьезный аргумент против данной идеи.

Поэтому ученые склоняются к самому экзотическому объяснению гамма-короны Галактики: возможно, облако из гамма-квантов является косвенным доказательством существования во Вселенной «скрытой массы» в виде гипотетических сверхмассивных элементарных частиц. В гало нашей Галактики давно уже подозревается наличие такой «скрытой массы». А гамма-лучи могут возникать при столкновениях этих неизвестных частиц друг с другом.

Похоже, астрономы уже смирились с мыслью, что светящееся вещество Вселенной — все ее звезды и облака межзвездного газа — это лишь светлая «пенка» на поверхности черного, невидимого «кофе» из скрытой массы. Поняв же, стали нащупывать пути обнаружения и изучения этого загадочного невидимого вещества. Пока ясно одно: темное вещество, во всяком случае, является источником гравитации — по этому признаку его и надо искать. Для этой цели как нельзя более подходят гравитационные линзы. Как это часто случается, классики ошиблись в оценке перспектив своих открытий — у гравитационных линз большое будущее.

Невидимые галактики?

В конце 1997 года использование гравитационных линз для поиска скрытого вещества, похоже, принесло первые плоды. Астроном М.Хокинс (Королевская обсерватория, Эдинбург) заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое утверждение он основывает на изучении парных изображений гравитационно линзированных квазаров. При исследовании восьми таких пар Хокинсу только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных шести раздвоенных изображений квазаров оптических следов гравитационной линзы-галактики не обнаружено. А судя по искажению изображений, по массе эти линзы не уступают нашей Галактике.

Хокинс и его коллеги считают, что им посчастливилось открыть таким образом «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Какая же причина помешала этому газу претерпеть гравитационный коллапс и сжаться в звезды? Возможно, виной этому быстрое исходное вращение протогалактического облака: центробежная сила остановила сжатие галактики еще до того, как из газа смогло начаться формирование звезд. Если это действительно так, то астрономы могут торжествовать: им удалось обнаружить еще одного «невидимого зверя Вселенной» — темные галактики. Решит ли это открытие (если оно состоялось) загадку скрытой массы, покажет будущее.

1 Как меру скорости далеких объектов астрономы используют красное смещение линий в их спектре, то есть относительное изменение длины волны линий за счет эффекта Доплера. Поскольку все далекие объекты удаляются от нас, смещение линий всегда происходит в сторону красной части спектра. С учетом релятивистских эффектов красному смещению z = 1 соответствует скорость 180 000 километров в секунду; при z = 2 скорость 214 300 километров в секунду; при z = 3 скорость 233 300 километров в секунду и при z = 4 скорость 245 500 километров в секунду. При хаббловском расширении Вселенной чем дальше объект, тем быстрее он удаляется от наблюдателя; поэтому красное смещение служит также мерой расстояния до далеких галактик и квазаров. Однако простой связи тут нет, поскольку она зависит от истории расширения Вселенной.

Владимир Сурдин



См. также:
Обзор выигрышных слотов
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Технические газы МегаТрейд соответствует современным требованиям, что подтверждается.. Аргон – технический газ, нашедший широкое применение в производстве, при производстве металлов, алюминиевых и никелевых сплавов, сталелитейной промышленности. У нас вы можете купить все необходимые технические газы и сварочные смеси с доставкой на объект производства

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005