Тайна старого замка

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.

Первые кандидаты

Обнаружить эффект гравитационного линзирования во Вселенной астрономам помогли квазары — одни из самых далеких и ярких объектов Вселенной. Чем дальше находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения между ним и наблюдателем появится какая-нибудь галактика. В 1979 году группа астрономов из Англии и США получила спектры двух компонентов квазара QSO 0957+561, удаленного от нас более чем на 8 млрд. световых лет. Астрономы были поражены практически полной идентичностью их спектров и красного смещения. Вот только колебания яркости компонентов происходили не одновременно, а с разницей приблизительно в один год. Поэтому астрономы склонились к мнению, что два компонента квазара QSO 0957+561— это всего лишь кажущийся эффект. На самом же деле существует лишь один квазар, а его двойное изображение является результатом действия гравитационной линзы, находящейся между наблюдателем и квазаром. В результате длительных наблюдений была обнаружена эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии более 3 млн. световых лет от Земли, которая и разделила надвое своей гравитацией излучение квазара. Галактика-линза немного смещена в сторону от линии Земля-квазар, поэтому ход лучей в системе несимметричен: фотоны, огибающие галактику с одной стороны, должны преодолевать гораздо большее расстояние, чем фотоны, огибающие ее с другой, потому-то и прибывают они к наблюдателю с опозданием в год.

Конечно, гравитационная линза — «плохая» линза в том смысле, что у нее нет хорошего фокуса, где можно получить неискаженное изображение. Ведь структура изображений зависит от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя, а также массы и формы линзы. Наиболее экстремальное искажение света имеет место тогда, когда линза очень массивна и линзируемый источник достаточно близок к ней. В конце 80-х годов прошлого столетия стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что слабые голубые галактики, находящиеся за линзирующим скоплением, имеют вытянутые дугообразные формы. Классический пример такой картины — снимок скопления галактик Абелл 2218, полученный космическим телескопом «Хаббл».

В простейшем случае, когда размеры источника и линзы невелики, изображение источника «размножается» на два и более компонентов. Примером тому может служить знаменитый квазар «крест Эйнштейна», расстояние до которого оценивается в более чем 8 млрд. световых лет. Изображение самого квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними — линзирующая галактика, расположеная примерно в 20 раз ближе квазара. В общем случае расстояния, которые проходит свет, создающий разные изображения одного и того же объекта до наблюдателя, неодинаковы.

Часто линзу не удается обнаружить оптическими наблюдениями и искажение изображения далекого исследуемого источника излучения является единственным свидетельством того, что на луче зрения между ним и наблюдателем присутствует большое скопление вещества. Так, фотографии квазара MG2016+122 из созвездия Дельфина говорят о том, что свет от него преломляется мощной гравитационной линзой, однако наблюдения на самых мощных оптических телескопах не смогли обнаружить ничего, что могло бы вызывать отклонения света квазара! Изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить ее влияние на изображение квазара. Слабое изображение галактики часто тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они — суперслабые).

Микролинзы

Гравитационные линзы могут пролить свет на самые «темные» тайны Вселенной. В конце 1997 года астроном М. Хокинс заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое предположение он основывает на том, что при изучении восьми пар изображений гравитационно линзированных квазаров ему только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных же шести пар оптических следов гравитационной линзы-галактики обнаружено не было. А судя по искажению изображений, эти линзы по массе не уступают нашей Галактике. Поэтому Хокинс и его коллеги считают, что им удалось открыть «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Если это действительно так, то открытие поможет решить загадку скрытой массы.

Скрытой массой (или, иначе, темной материей) называют вещество неизвестной природы, которое взаимодействует с обычным (видимым) веществом практически только посредством сил гравитации. Звезды как в нашей, как и в других спиральных галактиках вращаются так, словно большая часть массы этих систем сосредоточена не в диске, а в обширном несветящемся гало, протяженность которого, по некоторым данным, может превышать размеры диска в десятки раз. Одно из объяснений этого парадокса заключается в том, что гало типичной дисковой галактики заполнено объектами, названными МАСНО (Massive Astrophysical Compact Halo Objects — массивные астрофизические компактные галообъекты). К ним относятся слабосветящиеся звезды, или коричневые карлики (с массой, меньшей чем 0,08 массы Солнца, в недрах которых никогда не происходят термоядерные реакции), белые карлики — планеты с массами до одной тысячной массы Солнца, нейтронные звезды в неактивной стадии и черные дыры.

Согласно оценке Богдана Пачинского число темных тел в гало Галактики должно быть весьма велико, так что вероятность того, что звезда одной из ближайших галактик почти точно спроектируется на темное тело, составляет порядка одной миллионной. И хотя эта вероятность чрезвычайно мала, наблюдая одновременно миллионы звезд в небольшой компактной области неба с помощью панорамных приемников излучения, можно надеяться на достаточно частую регистрацию вспышек звезд, вызванных эффектом микролинзирования. А по длительности и частоте подобных событий можно судить о вкладе темных тел гало Галактики в полную массу невидимого вещества. Это, конечно, очень важный вывод: если MACHO-объекты существуют, микролинзирование является подходящим методом для обнаружения темной материи, за которой астрономы охотятся в последние десятилетия.

Большие и Малые Магеллановы Облака — самые ближайшие наши соседи и самые яркие галактики на небе. Они выглядят как два туманных облачка, хотя эти облачка содержат миллиарды звезд и поэтому являются потенциальными целями для микролинзирования. Если бы между нами и Магеллановыми Облаками не было никаких тел, способных создавать эффект гравитационной микролинзы, то, наблюдая за звездами, мы получали бы информацию об их собственной переменности блеска. Но если между нами и звездами этих галактик время от времени пролетают неизлучающие или слабосветящиеся массивные тела (например, старые холодные белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или планеты типа Юпитера), то появляется вероятность того, что при достаточно долгом времени наблюдения такое темное тело «пролетит» настолько близко к лучу от одной из звезд Магеллановых Облаков, что блеск последней сначала резко увеличится, а затем уменьшится абсолютно симметрично за время такого близкого пролета. Очевидно, чем плотнее звездное поле, тем дольше можно следить
за каждой из звезд и тем больше шансов обнаружить темные тела. Звезды Больших и Малых Магеллановых Облаков могут быть линзированы главным образом объектами Галактического гало. Другой потенциальной целью для микролинзирования является Галактический балдж — большое скопление звезд в окрестности галактического центра. В этом случае можно ожидать эффектов микролинзирования очень малыми объектами массой около одной миллионной массы Солнца.

Группа американских и австралийских ученых, назвавшая свой эксперимент МАСНО, проводила наблюдения на обсерватории Mount Stromlo в Австралии, вблизи Канберры, с использованием телескопа, в фокусе которого установлен панорамный фотоэлектрический приемник, позволяющий одновременно регистрировать и анализировать с помощью компьютера блеск около миллиона звезд. Помимо этого, группа МАСНО наблюдала также звезды в направлении на центр Галактики и Большого Магелланова Облака. Члены группы, следившие за блеском более 10 млн. звезд, зафиксировали два десятка открытых ими событий микролинзирования. Причем обычные звезды Галактики за все время наблюдений могли бы дать одно, максимум два события, а потому учеными был сделан вывод, что линзы находятся в гало Галактики. Продолжительность же уярчения фоновой звезды позволила оценить массу микролинз, которая составляла примерно 0,5 массы Солнца. Удалось также в процессе наблюдения отождествить источник одного из событий микролинзирования со слабой звездой, но не из гало Галактики, а из дискового населения.

Звезда-линза была найдена на снимках с телескопа «Хаббл» спустя 6 лет после наблюдения явления микролинзирования, длившегося долго — блеск далекой голубой звезды в БМО был выше нормы около 100 суток. На снимке с «Хаббла» была обнаружена близкая (на расстоянии 200 пк от нас) красная звезда класса M с массой около 0,1 массы Солнца. Спектральный анализ подтвердил наличие линий этой слабой звезды на фоне спектра голубой звезды из Большого Магелланова Облака.

На первом этапе группа MACHO использовала небольшой телескоп обсерватории Mount Stromlo в Австралии. Теперь начинается новый, 5-летний цикл наблюдений на мощном 4-метровом телескопе, установленном в Чили. Он позволит резко увеличить статистику явлений микролинзирования и с гораздо более высокой степенью надежности поможет установить, какую долю в этих явлениях составляют видимые звезды.

Совместный проект французских и чилийских ученых, названный EROS, состоит из двух программ. Первая из них предусматривает поиск объектов с массой от 0,0001 до 0,1 массы Солнца, время линзирования которых заключено в пределах от 1 до 30 дней. Наблюдения проводились в Чили на широкоугольном 50-см телескопе вначале с помощью фотографической методики, а затем с помощью фотоэлектрического ПЗС-приемника. За несколько лет было изучено приблизительно 10 миллионов звезд. Вторая программа направлена на поиск объектов, имеющих до 0,001 массы Солнца с временем линзирования от 1 до 3 дней. Для этих наблюдений 150 000 звезд просматривались каждые 20 минут.

Проект наблюдения микролинзирования в астрофизике (MOA) — совместный эксперимент Японии и Новой Зеландии — был начат в 1995 году. Наблюдения группы MOA проводятся в Новой Зеландии.

Чтобы лучше оценить пространственное распределение темных тел в Галактике, необходимо наращивать число наблюдений явлений микролинзирования не только в направлении на БМО, но и в других направлениях. С этой целью группа астрономов Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга МГУ начала поиск эффектов микролинзирования звезд галактики в созвездии Андромеда, которая расположена на Северном небе и доступна для наблюдений с обсерваторий России и стран СНГ.

К настоящему времени число обнаруженных явлений микролинзирования превышает 50. Анализ результатов наблюдений БМО позволяет предположить, что по крайней мере половина скрытой массы гало Галактики обязана своим происхождением вкладу маломассивных звезд и коричневых карликов.

Наблюдения микролинзирования звезд с высокой фотометрической точностью дают принципиальную возможность обнаружения не только темной материи, но также и планетных систем у звезд. Открытие эффектов микролинзирования было сделано на небольших наземных телескопах простыми и дешевыми средствами. Наряду с обнаружением эффектов микролинзирования были получены высокоточные кривые блеска многих десятков тысяч переменных звезд разных типов, что является важным вкладом в проблему изучения переменных звезд.

Гравитационные линзы — весьма многообещающее явление, способное привести к самым неожиданным открытиям как в нашей Галактике, так и в самых далеких уголках Вселенной. Оно уже стало независимым и крайне важным астрономическим методом, с помощью которого можно получать ценную информацию о загадочной темной материи, измерять ключевые космологические параметры и наблюдать новые эффекты в движении небесных тел, которые невозможно увидеть традиционными астрономическими методами.