Гравитационные линзы

Гравитационные линзы, обнаруженные астрономами около 30 лет назад, — одно из самых удивительных явлений, существующих во вселенной. Они стали не только убедительнейшим доказательством истинности теории относительности эйнштейна, но и незаменимыми помощниками астрономов в поиске ответов на многие вопросы о структуре и эволюции вселенной.

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 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 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 звезд, 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 Земли, а потому наблюдать с Земли 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. Даже 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 два 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.