Все о космосе

Гравитация

Гравитационное линзирование — явление той же самой природы, что и отклонение света в гравита­ционном поле Солнца. Его предсказал А.Эйнштейн (Albert Einstein) в 1915 г., а в 1919-м, анализируя фотографии сол­нечного затмения, А.Эддингтон (Arthur Stanley Eddington) подтвердил вывод Эйнштейна с 20-30% уровнем погреш­ности. Спустя еще год этот же ученый высказал предположение, что одна звезда, перед которой проходит другая, может иметь несколько отдельных изображений. Позже О.Хвольсон (Orest Chwolson, 1924) и Эйнштейн (1936) независимо доказали, что в такой ситуации могут наблюдаться изображения в виде колец — они получи­ли название "колец Эйнштейна". В1937 г. Ф.Цвикки (Fritz Zwicky) предложил ис­пользовать галактики, линзирующие сла­бые объекты, находящиеся за ними, как природные космические телескопы. Это важное предложение нашло свое примене­ние после открытия Шмидтом (Maarten Schmidt) в 1963 г. квазаров, впервые — в работах Якова Зельдовича и Сьюра Реф-сдала (Sjur Refsdal, 1964-66). А в 1979 г. Д.Велып, Р.Каршвелл и Р.Уэймен (Den­nis Walsh, Robert Carswell, Ray Weymann) открыли первый "линзированный" квазар Q0957+561 (гравитацион­но-линзовая система, в состав которой он входит, в настоящее время так и называ­ется — "Первая Линза"). Они обнаружи­ли два квазара, которые находились на угловом расстоянии в 6 секунд дуги друг от друга. Эти квазары имели одинаковое красное смещение z_s=l,41, а также иден­тичные спектральные характеристики (профили спектральных линий, отноше­ния потоков в разных областях спектра и др.), что и послужило основанием для предположения о том, что эта пара явля­ется изображением одного и того же объекта. Роль линзы в системе играет на­ходящаяся перед квазаром галактика с красным смещением z_g =0,36. Монито­ринг этой системы в оптическом и радио­диапазонах показал, что вариации блес­ка изображений коррелируют между со­бой (с задержкой сигнала примерно в полтора года), что стало последним вес­ким доказательством их гравитационно-линзового происхождения. Всего три года спустя Уэймен с сотруд­никами открыли второй гравитационно-линзированный квазар, PG1115+080; недолго думая, новую систему назвали "Вторая линза". В ней имеется четыре изображения квазара с красным смеще­нием z_s=l,722, а в роли гравитационной линзы выступает группа из пяти галак­тик (две с красным смещением 0,3098, две — 0,3123 и одна — 0,3095).

В настоящее время известно уже около сотни кратных изображений квазаров, которые обязаны своим существованием гравитационному линзированию. Фото­снимки большинства из них можно найти на веб-страничке проекта CASTLE Survey (Cfa-Arizona Space Telescope LEns Survey). Еще одна гравитационно-линзовая система, RXS J113155.4-123155, инте­ресная тем, что принадлежащий ей ква­зар является наиболее близким к нашей Галактике (его красное смещение состав­ляет z=0,65), была открыта в Льежском университете (Бельгия) под руководс­твом Ж.Сюрдежа (Jean Surdej). Благода­ря тому, что этот квазар расположен от­носительно близко к нам, наблюдениям доступны не только его ядро (сам квазар), но также его материнская галактика.

Это далеко не единственное гравитаци­онно-линзовое изображение галактики в виде дуги кольца Эйнштейна. О возмож­ности линзирования таких объектов, как галактики, говорил еще в 30-е годы прош­лого столетия Ф.Цвикки (в честь которо­го такое явление получило название "телескопа Цвикки"). В 1986 году Линдсом и Петросяном был открыт первый такой объект — "портрет" галактики в виде кольца диаметром около угловой секун­ды. А наиболее ярко это явление выраже­но в кластере CL0024+1654, где можно видеть растянутые дугообразные изобра­жения галактики (на фото в голубом цве­те), находящейся за кластером.

Макролинзирование, структура галактик-линз и постоянная Хаббла

Со времени открытия гравитационного линзирования теория этого явления за­метно развилась, что в значительной мере обусловлено его ролью в исследовании удаленных объектов, недоступных для наблюдений современными средствами. Моделирование этого явления — матема­тически сложная задача, требующая для своей реализации различных подходов в зависимости от характеристик линзируемых объектов и объектов, играющих роль линз. В зависимости от типа последних и временного масштаба явления принято отличать гравитационное линзирование галактиками, которое иногда называют макролинзированием, от микролинзиро-вания объектами звездной массы. Иногда выделяют также мезолинзирование на шаровых звездных скоплениях и нано-линзирование — на объектах планетар­ных масс, а также космологическое сла­бое линзирование, обусловленное усред­ненным влиянием гравитационных по­лей объектов местной Вселенной.

Среди этих явлений макролинзирование проявляет себя наиболее ярко — ведь изображения удаленных объектов, возникшие благодаря воздействию гра­витационных полей лежащих ближе га­лактик, доступны для наблюдений с по­мощью достаточно больших наземных телескопов (таких, например, как 4-м ртутный телескоп в Чили, с помощью которого была открыта гравитационно-линзовая система RXS J113155.4-123155). Именно это явление можно со всеми основаниями назвать "космическим мегателескопом". Телескоп направлен все время на один и тот же объект, да еще искажает его изоб­ражение определенным образом, кото­рый наперед не известен. К тому же уст­ройство этого "телескопа" может быть и очень сложным — особенно если он со­стоит из нескольких линз-галактик. По­этому так важно моделирование струк­туры гравитационных линз даже в са­мом простом случае, когда линза всего одна и имеет симметричную структуру.

Восстановление распределения массы в гравитационно-линзовой системе — сложная и трудоемкая задача, но резуль­тат важен не только с точки зрения иссле­дования процессов в конкретной системе: он имеет отношение к такому важному космологическому параметру, как косми­ческая плотность материи, а также плот­ность темной материи. Еще один пара­метр, для определения величины которо­го макролинзирование является очень ценным инструментом — постоянная Хаббла, от которой зависит (точнее, кото­рой обратно пропорционально) время за­держки сигнала между различными изоб­ражениями линзированного объекта.

На фоне макролинзирования, вызы­ваемого притяжением галактик, а иног­да целых их скоплений, удается наблю­дать эффект мезолинзирования. Роль линз в этом процессе играют шаровые звездные скопления или карликовые га­лактики (типичная масса мезолинзы — 10³-10⁹ масс Солнца). Но существенное отличие между ними в том, что если мак­ролинзирование можно считать стати­ческим явлением (масштаб временных вариаций здесь составляет от несколь­ких десятков до нескольких сотен лет), мезолинзирование — процесс, доступ­ный наблюдениям в динамике. Типич­ный временной масштаб этого процесса составляет годы, что, само собой, требует учитывать его при моделировании гра­витационно-линзовых систем. Мезолин­зирование проявляет себя не так ярко, как макролинзирование; типичным при­мером его влияния является наблюдае­мое искривление джетов, которые выхо­дят из центральных частей квазаров.