Ликбез RnD.CNews: гравитационные линзы — подзорные трубы прямо во Вселенную

Распространение света не обязательно происходит по прямой траектории. Согласно теории относительности Эйнштейна, массивные объекты деформируют ткань самого пространства. Когда свет проходит через один из таких массивных объектов, например, через кластер галактик, его путь немного изменяется.

Такой эффект получил название гравитационного линзирования. Таким образом, гравитационное линзирование происходит, когда массивное небесное тело вызывает кривизну пространства-времени, достаточную для того, чтобы путь света вокруг него был заметно искривлен, как если свет проходил через линзу. Тело, заставляющее свет искривляться, соответственно называется гравитационной линзой.

Важное следствие такого искажения линзы — увеличение. Оно и позволяет ученым наблюдать слишком далекие и тусклые объекты, которые обычными способами не рассмотреть из-за слишком большого удаления от Земли — можно сказать, что гравитационные линзы схожи по принципу действия с увеличительными стеклами. Именно благодаря гравитационному линзированию астрономы обнаруживают самые далекие галактики, с которыми когда-либо сталкивалось человечество.

Конечно, по аналогии с обычными линзами, при гравитационном линзировании форма источника, посылающего свет, искажается. Она обычно зависит от самого объекта, через который проходит свет в космическом пространстве. На сегодня астрономы знакомы с двумя изображениями, которые получаются в результате гравитационного линзирования: это кольцо и крест Эйнштейна.

• Если структура объекта сферическая, а сам он относительно компактный, то в процессе линзирования он увеличивается и превращается в окружность — кольцо Эйнштейна.

• Если галактика, через которую проходит свет, имеет спиралевидную форму, то результат представляет собой крест Эйнштейна, то есть общее изображение кажется разделенным на четыре отдельных изображения.

Гравитационное линзирование способны фиксировать мощные телескопы, например, орбитальный телескоп Хаббл. Телескоп использует эффект увеличения для изучения объектов, которые расположены за пределами чувствительности его главного зеркала диаметром 2,4 метра.

В частности, изображение объекта, известного как GAL-CLUS-022058s, опубликованное в 2020 году в рамках серии фотографий ЕКА/Hubble Picture of the Week, показало самое большое из когда-либо обнаруженных изображений галактики в форме кольца Эйнштейна.

Также при помощи Хаббла был сделан снимок скопления галактик SDSS J1038 + 4849 в созвездии Большой Медведицы: излучение одной из них проходило через другую, в результате чего также сформировалось кольцо Эйнштейна. А космический телескоп Гершель обнаружил схожее скопление галактик H1429-0028: оно тоже состоит из двух галактик, дающих аналогичный эффект.

Что касается креста Эйнштейна, то, например, квазар, который при линзировании дает такое изображение, располагается за галактикой ZW 2237+030 и от него до Земли — около 8 млрд световых лет. Крест можно увидеть в созвездии Пегаса. А в 2014 году Хаббл зафиксировал новый крест — это была вспышка сверхновой Рефсдаля, которая в 2015 году появилась снова, но в другой части космического пространства.

Итак, гравитационные линзы — один из инструментов, которые астрономы могут использовать, чтобы расширить поле зрения космического телескопа за пределы того, что он обычно способен наблюдать. Эффект линзирования также применим для определения распределения материи — как обычной, так и темной — внутри скопления галактик. Наконец, с его помощью получится «взвешивать» галактические кластеры, так как степень линзирования зависит от общей массы скопления. Вполне возможно, что именно эффект гравитационного линзирования позволит раскрыть тайны темной материи.