Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование — это физическое явление, заключающееся в отклонении траектории распространения электромагнитного излучения (в том числе света) в поле тяготения массивных тел. Согласно общей теории относительности (ОТО), гравитация искривляет пространство-время, и луч света, проходящий вблизи массивного объекта, движется не по прямой, а по геодезической линии в искривлённом пространстве. В результате наблюдатель на Земле видит искажённое, увеличенное или множественное изображение удалённого источника света (галактики, квазара, звезды). Гравитационное линзирование является одним из ключевых инструментов современной астрофизики и космологии, позволяя изучать распределение тёмной материи, далёкие галактики и экзопланеты.

История открытия

Теоретические предпосылки

Первое предсказание эффекта отклонения света в поле тяготения было сделано в рамках ньютоновской механики ещё в 1801 году немецким астрономом Иоганном Георгом фон Зольднером, который рассчитал, что луч света, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться на угол 0,875 угловой секунды. Однако в рамках корпускулярной теории света это предсказание не имело серьёзного физического обоснования.

В 1915 году Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности вывел, что угол отклонения света вблизи массивного тела в два раза больше ньютоновского и составляет 1,75 угловой секунды для луча, проходящего у края солнечного диска. Первое экспериментальное подтверждение этого предсказания было получено во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года экспедицией под руководством Артура Эддингтона. Измерения, проведённые на острове Принсипи (у побережья Африки) и в городе Собрал (Бразилия), подтвердили предсказания Эйнштейна, что стало триумфом ОТО.

Формулировка концепции линзирования

Идея о том, что массивные объекты могут действовать как гравитационные линзы, создавая множественные изображения удалённых источников, была впервые высказана швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1937 году. Он предположил, что галактики могут служить такими линзами, создавая кольцевые изображения (кольца Эйнштейна) и кратные изображения квазаров. Однако из-за недостаточной чувствительности телескопов того времени наблюдения были невозможны.

Первое практическое обнаружение гравитационной линзы произошло в 1979 году, когда астрономы Деннис Уолш, Роберт Карсуэлл и Рэй Вейманн открыли двойной квазар Q0957+561. Два изображения одного и того же квазара, разделённые угловым расстоянием в 6 угловых секунд, оказались результатом гравитационного линзирования массивной галактикой, расположенной на луче зрения. Это открытие подтвердило предсказания Цвикки и положило начало систематическому поиску гравитационных линз.

Физические основы

Принцип действия

Гравитационное линзирование описывается в рамках общей теории относительности. Массивное тело (линза) искривляет пространство-время вокруг себя. Свет от удалённого источника (объекта наблюдения) распространяется по геодезическим линиям — кратчайшим путям в искривлённом пространстве. В результате траектория луча отклоняется в сторону линзы. Для наблюдателя, находящегося за линзой, источник кажется смещённым относительно своего истинного положения.

Ключевым параметром, определяющим силу линзирования, является угол отклонения α, который для точечной массы M вычисляется по формуле:

α = 4GM / (c²b)

где G — гравитационная постоянная, M — масса линзы, c — скорость света, b — прицельный параметр (расстояние от луча до центра линзы). Для протяжённых объектов (галактик, скоплений галактик) угол отклонения определяется распределением массы и может быть значительно больше.

Типы гравитационного линзирования

В зависимости от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя, а также от массы и структуры линзы, различают три основных режима:

1. Сильное линзирование — возникает, когда источник, линза и наблюдатель находятся почти на одной прямой линии. В этом случае образуются множественные изображения источника (обычно 2, 4 или 5), дуги или кольца. Классическим примером является кольцо Эйнштейна — полное кольцевое изображение источника, которое возникает при идеальном выравнивании. Сильное линзирование наблюдается вблизи массивных скоплений галактик и отдельных галактик.
2. Слабое линзирование — возникает, когда источник и линза не выровнены идеально. В этом случае изображение источника не расщепляется, но испытывает небольшое искажение формы (сдвиг и эллиптичность). Слабое линзирование статистически обнаруживается по корреляции формы большого числа далёких галактик. Оно используется для картирования распределения тёмной материи в крупномасштабной структуре Вселенной.
3. Микролинзирование — возникает, когда гравитационной линзой служит компактный объект небольшой массы (звезда, планета, коричневый карлик). В этом случае изображения источника (обычно звезды в другой галактике) не разрешаются телескопом, но наблюдается временное увеличение яркости источника (кривая блеска). Микролинзирование позволяет обнаруживать невидимые объекты, такие как экзопланеты и чёрные дыры.

Применение в астрофизике и космологии

Изучение тёмной материи

Гравитационное линзирование является одним из наиболее надёжных методов обнаружения и картирования тёмной материи — невидимой субстанции, составляющей около 85% всей материи во Вселенной. Поскольку тёмная материя не излучает и не поглощает свет, её можно обнаружить только по гравитационному воздействию на видимые объекты. Слабое линзирование позволяет строить карты распределения тёмной материи в скоплениях галактик и вдоль линий обзора. Например, наблюдения скопления Пуля (1E 0657-558) показали, что центр масс скопления, определённый по линзированию, не совпадает с центром видимого газа, что является прямым доказательством существования тёмной материи.

Поиск экзопланет

Метод гравитационного микролинзирования позволяет обнаруживать планеты, находящиеся на больших расстояниях от Земли (до нескольких килопарсек), в том числе планеты, невидимые другими методами (например, транзитным или методом лучевых скоростей). Когда звезда-линза проходит перед далёкой звездой-источником, её кривая блеска имеет характерную форму. Если у звезды-линзы есть планета, она создаёт дополнительное искажение кривой блеска, проявляющееся в виде короткого всплеска яркости. Этот метод чувствителен к планетам с массами от земной до нескольких масс Юпитера. Крупнейшие проекты по поиску экзопланет методом микролинзирования — OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) и MOA (Microlensing Observations in Astrophysics).

Определение расстояний и параметров Вселенной

Гравитационные линзы используются для независимого измерения расстояний до далёких объектов. Если известна масса линзы и геометрия системы, можно определить расстояние до источника. Это позволяет проверять космологические модели, в частности, значение постоянной Хаббла (H₀). Кроме того, по временной задержке между изображениями одного и того же квазара (вызванной разной длиной пути света) можно оценить расстояние до линзы и, следовательно, параметры расширения Вселенной.

Изучение далёких галактик

Сильное гравитационное линзирование действует как естественный телескоп: оно увеличивает яркость и угловые размеры далёких галактик, которые в противном случае были бы неразличимы. Это позволяет изучать галактики, существовавшие в первые миллиарды лет после Большого взрыва, с высоким разрешением. Например, с помощью гравитационного линзирования были обнаружены одни из самых далёких известных галактик, такие как GN-z11 (красное смещение z ≈ 11,1). Линзирование также используется для изучения структуры и химического состава галактик в ранней Вселенной.

Примеры известных гравитационных линз

• Кольцо Эйнштейна в системе B1938+666 — одно из самых известных полных колец, образованное линзированием далёкой галактики массивной эллиптической галактикой.
• Квазар Q0957+561 — первая открытая гравитационная линза (1979 год), двойное изображение квазара.
• Скопление Пуля (1E 0657-558) — столкновение двух скоплений галактик, в котором гравитационное линзирование выявило разделение тёмной и обычной материи.
• Галактика-линза MACS J1149+2223 — известна тем, что в 2014 году в ней было обнаружено изображение сверхновой SN Refsdal, которая была видна в четырёх разных местах благодаря линзированию.
• Кольцо Эйнштейна в системе SDSS J0946+1006 — двойное кольцо, образованное двумя разными источниками, находящимися на разных расстояниях.

Критика и ограничения

Гравитационное линзирование, несмотря на свою мощь, имеет ряд ограничений. Основные проблемы связаны с неоднозначностью интерпретации: для одной и той же линзы может существовать несколько моделей распределения массы, дающих одинаковые изображения. Это требует привлечения дополнительных данных (например, спектроскопических или фотометрических). Кроме того, эффекты слабого линзирования очень малы (искажения составляют доли процента) и требуют обработки большого количества изображений для статистической значимости. Микролинзирование, в свою очередь, является редким событием (вероятность линзирования конкретной звезды составляет около 10⁻⁶), и его наблюдение требует длительного мониторинга больших участков неба.

Источники

1. Эйнштейн А. «О влиянии гравитации на распространение света» (1911).
2. Цвикки Ф. «Галактики как гравитационные линзы» (1937).
3. Уолш Д., Карсуэлл Р., Вейманн Р. «Открытие двойного квазара Q0957+561» (1979).
4. Шнайдер П., Элерс Ю., Фалько Э. «Гравитационные линзы» (Springer, 1992).
5. Клэпсон Р. «Гравитационное линзирование: от теории к наблюдениям» (Cambridge University Press, 2012).
6. Бартельманн М., Шнайдер П. «Слабое гравитационное линзирование» (Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2001).
7. Майерс С. «Микролинзирование и поиск экзопланет» (Nature, 2006).