Гравитационные линзы.

Направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза .

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение нереально. Если же объект-линза не яркий или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются микролинзированием . Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и не видимые никаким иным способом плотности материи.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования каустик для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне вписывается в предположение, что оба тела сферической формы. Однако в 2-3 % всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях . Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069 . Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.

Теория

Уравнение гравитационного линзирования

Гравитационную линзу можно рассматривать как обычную линзу, но только с коэффициентом преломления, зависящим от положения. Тогда общее уравнение для всех моделей можно записать следующим образом :

где η - координата источника, ξ - расстояние от центра линзы до точки преломления (прицельный параметр) в плоскости линзы, D s , D d - расстояния от наблюдателя до источника и линзы соответственно, D ds - расстояние между линзой и источником, α - угол отклонения, вычисляемый по формуле:

где Σ - поверхностная плотность, вдоль которой "скользит" луч. Если обозначить характерную длину в плоскости линзы за ξ 0 , а соответствующую ей величину в плоскости источника за η 0 =ξ 0 D s /D l и ввести соответствующие безразмерные векторы x=ξ/ξ 0 и y=η/η 0 , то уравнение линзы можно записать в следующем виде:

Тогда, если ввести функцию, называемой потенциалом Ферма , можно записать уравнение следующим образом :

Временную задержку между изображениями также принято записывать через потенциал Ферма :

Иногда удобно выбрать масштаб ξ 0 =D l , тогда x и y это угловое положение изображения и источника соответственно.

См. также

SDSSJ0946+1006 - система с двойными кольцами Эйнштейна.

Ссылки

Литература

Захаров А.Ф. Гравитационные линзы и микролинзы. - М .: Янус-К, 1997. - ISBN 5-88929-037-1
ЧЕРЕПАЩУК А. М. Гравитационное микролинзирование и проблема скрытой массы.

Галактики
Виды
Структура
Активные ядра
Взаимодействие
Явления и процессы
Списки

Категории:

Астрофизика
Релятивистские и гравитационные явления
Астрономические явления
Астрономические объекты, открытые методом гравитационного микролинзирования

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гравитационная линза" в других словарях:

Космич. тело с большой массой, гравитац. поле к рого искривляет (фокусирует) излучение более далёкого объекта, находящегося на одном луче зрения с гравитирующей массой. Г. л. создаёт неск. изображений объекта, в нек рых из к рых происходит… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Гравитационная линза - тело большой массы, влияние которого на движение света похоже на действие обычной линзы, преломляющей лучи за счет изменения оптических свойств среды; отклонение света гравитационным полем предсказано А.Эйнштейном (1915), расчет вида… … Мир Лема - словарь и путеводитель

Гравитационное линзирование света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения,… … Википедия - Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Плоско выпуклая линза Линза (нем. Linse, от лат. lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и т. н … Википедия

Гравитационная линза

Любое массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза.

Эффект гравитационной линзы был предсказан А.Эйнштейном, который в 1915 г. в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле. Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1.75" в полном согласии с предсказанием Эйнштейна. Английский физик О.Лодж в 1919 г., по-видимому, первым использовал термин "линза", говоря об отклонении электромагнитного луча гравитацией. Петербургский физик О.Хвольсон в 1924 г. опубликовал в журнале "Astronomische Nachrichten" заметку о том, что луч света далекой звезды может быть отклонен притяжением другой звезды-линзы, в результате чего возникнет второе изображение далекой звезды; в случае, когда обе звезды и наблюдатель находятся на одной прямой, изображение будет иметь форму кольца. Эйнштейн опубликовал в 1936 г. в журнале "Science" заметку, в которой по просьбе чешского инженера Р.Мандла рассмотрел линзоподобное действие одной звезды на другую и также указал на возможность кольцеобразного изображения. Ни Хвольсон, ни Эйнштейн не верили в возможность экспериментального обнаружения эффекта гравитационной линзы в случае обычных звезд.

Однако в 1937 г. американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки пришел к выводу, что эффект гравитационной фокусировки света можно наблюдать в том случае, если линзой является галактика. В 1979 г. английские астрономы Д. Волш и др. впервые обнаружили "двойной квазар" QSO 0957+16 A,B (красное смещение z=1.4 и угловое расстояние между компонентами около 6"). Когда выяснилось, что оба квазара изменяют свой блеск в унисон, астрономы поняли, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту грав итационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу - далекую галактику (z=0.36), лежащую между Землей и квазаром. К концу ХХ в. обнаружено несколько десятков гравитационных линз. Некоторые изображения действительно имеют форму ровного или разорванного кольца, которое называют "кольцом Эйнштейна" или "кольцом Хвольсона-Эйнштейна". Позже был обнаружен эффект гравитационной линзы и в пределах нашей Галактики: однократная спонтанная переменность блеска некоторых звезд указывает на то, что между ними и Землей проходят массивные и довольно темные тела, природа которых пока не ясна.

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

Содержание статьи

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

Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей.

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

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

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

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

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

Межгалактические гравитационные линзы.

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

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

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

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

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

Звездные гравитационные микролинзы.

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

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

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

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

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

Владимир Сурдин

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».