Гравитационные линзы

Гравитационными линзами называют объекты, которые своим полем тяготения заметно искривляют световые лучи, проходящие вблизи или сквозь них. Из-за этого изображение удаленного источника (звезды, галактики, квазара), свет которого проходит вблизи такого объекта, искажается или даже представляется в виде нескольких отдельных изображений.

В принципе любое тело способно «собирать» своим гравитационным полем параллельные лучи света в некотором фокусе подобно оптическим линзам (хотя, в отличие от обычной линзы, расстояние до такого фокуса будет очень большим и к тому же различным для лучей, проходящих на разном расстоянии от «линзы»). Но только астрономические объекты огромной массы типа звезд, галактик или их скоплений могут создавать заметный эффект.

Abell 2218 — массивное скопление, включающее порядка 10 000 галактик. Оно находится в 2 млрд световых лет от нас, в созвездии Дракон, и выполняет роль гравитационной линзы — увеличивает и искажает галактики, лежащие позади него. По цвету галактики можно определить ее тип и удаленность. Желтые дуги — относительно близкие эллиптические галактики, голубые — более далекие галактики с областями активного звездообразования. В 2004 году при помощи Abell 2218 удалось обнаружить самый далекий на тот момент объект во Вселенной — галактику, возраст которой составляет примерно 13 млрд лет.

Порция света — фотон формально может рассматриваться как частица, обладающая массой. Поэтому вблизи притягивающего тела траектория фотона даже в рамках ньютоновской физики должна отклоняться от прямой линии. Сейчас известно множество надежно установленных гравитационных линз. В основном наблюдаются далекие квазары, изображения которых «размножены» попадающими на луч зрения близкими галактиками или скоплениями галактик.

В общем случае расстояния, которые проходит свет от разных изображений одного и того же объекта до наблюдателя, не одинаковы. Поскольку излучение от реальных астрономических источников (в частности, от квазаров), как правило, переменно, то по задержке переменности излучения, приходящего от разных изображений одного объекта, можно измерять расстояния до линзирующей галактики или скопления галактик и до самого источника. По характеру искажения можно судить о распределении вещества в скоплении и о его полной массе.

NGC 6553 — шаровое скопление в созвездии Стрелец, отстоящее от Земли примерно на 19 000 световых лет. Гравитационная микролинза преломила свет красного гиганта, на который указывает стрелка. Если микролинза находится внутри скопления — вероятность этого равна 50%, — это может быть черная дыра с массой, равной двум солнечным. Если так, то это единственный объект такого рода, обнаруженный внутри шарового скопления, и единственная черная дыра, масса которой эквивалентна звездной.

Когда в качестве линзы выступает галактика или скопление галактик, свет проходит сквозь саму линзу. А если линза — компактное непрозрачное тело, например, слабая звезда или нейтронная звезда, то при достаточно близком расположении такой линзы к лучу зрения изображение может сильно исказиться, а его блеск — возрасти. Чем компактнее тело при данной массе, тем сильнее будут отклоняться лучи света, проходящие вблизи его поверхности (черная дыра в этом смысле является наиболее сильной гравитационной линзой).

Если между нами и наблюдаемыми звездами находится много не излучающих или слабо светящихся тел (например, старых холодных белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр или даже планет типа Юпитера), то при близком пролете такого темного тела к лучу зрения, направленному на какую-нибудь из звезд, блеск ее сначала резко увеличится, а затем опять уменьшится, причем абсолютно симметрично во времени.

Гравитационная линза G2237 + 0305, известная также как Крест Эйнштейна. На фотографии показаны четыре изображения очень далекого — примерно в 8 млрд световых лет от Земли — квазара (по сторонам) — число изображений увеличилось благодаря выступающей в качестве линзы ближней — примерно в 400 млн световых лет от нашей планеты — галактики ZW 223 + 030 (в центре). Снимок телескопа «Хаббл».

В последней четверти XX в. было выявлено несколько случаев симметричного увеличения и ослабления блеска звезд длительностью около месяца, которые по всем признакам являлись следствием микролинзирования при пролете темных тел. Установлено, что эти темные тела имеют массу гораздо меньше солнечной. По-видимому, это холодные звезды-карлики.

Гравитационные линзы позволяют получать важную информацию о загадочной темной материи, измерять ключевые космологические параметры и наблюдать новые эффекты в движении небесных тел, которые невозможно исследовать традиционными астрономическими методами.