ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА

Содержание статьи

• Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей.
• Межгалактические гравитационные линзы.
• Звездные гравитационные микролинзы.

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА – массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения. Этот эффект тяготения называют «линзой» по той причине, что параллельный пучок 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 1,75″ 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