Открыт редкий случай гравитационного линзирования — двойное кольцо Эйнштейна
Телескоп «Хаббл» запечатлел красивейший случай гравитационного линзирования — двойное эйнштейновское кольцо. Для этого надо было, чтобы три галактики оказались почти на одной прямой. Обнаружение и детальное исследование нескольких десятков таких систем в рамках будущих проектов даст возможность независимо определять важные космологические параметры. А пока мы можем полюбоваться первым открытым двойным кольцом Эйнштейна.
Гравитационное линзирование известно уже почти сто лет. За это время открыто множество интересных систем и случаев линзирования. Есть красивейшие «кресты Эйнштейна» (Einstein’s Cross), есть линзирование на скоплениях галактик. При наблюдениях микролинзирования открываются экзопланеты с массой порядка земной, которые другими методами пока не обнаружимы. И вот удалось увидеть новый любопытный случай линзирования.
Обычно мы имеем дело с двумя телами: источником и гравитационной линзой. Свет от источника, проходя вблизи линзы, испытывает влияние ее гравитационного поля (или, можно сказать, что лучи света двигаются по искривленному пространству). В итоге мы видим искаженное и усиленное изображение источника. То есть массивное тело сработало как самая обыкновенная линза. Но, разумеется, можно придумать и более сложную ситуацию, когда в линзировании участвует несколько тел. Причем, может быть и много источников, и много линз (например, линзирование на двойной звезде или звезде с планетой).
В обнаруженной системе участвуют три объекта: близкая галактика-линза и две далекие галактики-источники, которые и стали кольцами. Галактика, играющая роль линзы, находится на красном смещении z = 0,222. Внутреннее кольцо — на z = 0,609. Где находится второе кольцо, точно не известно, так как для него нет хорошего спектра, но скорее всего, это z = 2–5.
В принципе, линзы с двумя галактиками-источниками должны встречаться не так уж редко: раз на 40–80 случаев сильного линзирования. А сильное линзирование встречается примерно раз на 200 массивных галактик ранних типов. Тем не менее, красивое двойное кольцо Эйнштейна найдено впервые. Ведь для получения двух эйнштейновских колец надо, чтобы выравнивание галактик на одной прямой было очень хорошим. Неудивительно, что сделано это в рамках Слоановского цифрового обзора неба (SDSS). Причем, авторам повезло: столь редкий зверь попался после обнаружения примерно 90 линз.
Слоановский цифровой обзор неба реализуется на 2,5-метровом телескопе, установленном в штате Нью-Мексико. Первая фаза проекта, во время которой было получено изображение примерно 1/5 неба, была закончена в 2005 году. Вторая фаза будет закончена в этом году. Данные SDSS — это лучшая база по трехмерной структуре вселенной, так как основной задачей проекта является определение расстояний до галактик и квазаров. Однако столь высококачественный обзор позволяет решать и другие задачи. Например, данные SDSS используют для изучения звезд, для поиска слабых галактик-спутников нашей и т. д. Используют его и для поиска гравитационных линз. Этот проект называется SLACS. В рамках этого проекта цели, выбранные по результатам SDSS, наблюдают на Космическом телескопе. А потом, чтобы получить спектры выбранных объектов, — на крупных наземных телескопах (VLT, Keck и т. д.).
Будущие проекты (JDEM, DUNE) смогут более эффективно находить линзы с двумя источниками. Авторы показывают, что имея около 50 таких систем с известными красными смещениями для всех трех галактик (два источника и линза), можно будет получать важные космологические параметры: долю массы темного вещества и показатель, характеризующий уравнение состояния темной энергии.
Гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование квазара HE 1104-1805
Гравитационное линзирование – один из интереснейших космических эффектов, который способны вызывать практически все крупные объекты во Вселенной.
Общие сведения
Линзирование в скоплении галактик Abell 2218
В действительности, гравитационное линзирование – это эффект, который обладают не только крупные, но и мелкие космические объекты. Суть его заключается в том, что когда наблюдатель смотрит на дальний источник света в космосе через другой космический объект, форма дальнего источника света искажается. Такое искажение источника света может быть вызвано звездой или галактикой, через которую проходит свет от отдаленного объекта.
Существуют также данные, свидетельствующие о том, что искажать свет могут не только звезды и галактики, но и малые астрономические тела, например, планеты. Однако в данном случае искажение будет настолько незначительным, что зафиксировать его можно будет только при помощи сверхмощных оптических приборов, да и то зафиксированная величина будет чисто формальной.
Эффект гравитационного линзирования был обнаружен относительно не так давно. Только с появлением новейших телескопов ученым удалось наблюдать этот интересный эффект и детально исследовать механизм его появления. О том, как происходит механизм линзирования мы поговорим в следующем пункте.
Механизм линзирования
Схема гравитационного линзированния
По логике, свет, исходящий от дальнего квазара (одного из наиболее ярких объектов во Вселенной) или галактики в направлении Земли, должен попадать на Землю под прямым углом. Однако в некоторых случаях на пути этого света встречается другая галактика или сверхмассивная звезда, гравитационное поле, которое притягивает к себе электромагнитное излучение, направленное отдаленным объектом. Вследствие этого возникает эффект гравитационного линзирования, которому и посвящена эта статья.
Получается, что свет отдаленного объекта, попадая на галактику, находящуюся между ним и наблюдателем, искажает истинную форму источника, который послал его на Землю. Точно так же делает обычная линза. Свет, попадая на нее, искажается. Если посмотреть через нее на объект, пославший свет, мы увидим, что он стал намного крупнее.
Форма, которую гравитационное линзирование придает отдаленному источнику света, может отличаться, в зависимости от того, через какой объект в космическом пространстве проходят его лучи. Известные примеры искажения формы источника света мы приведем в следующем пункте.
Кольцо и Крест Эйнштейна
Современному научному сообществу известно два возможных результата гравитационного линзирования: Кольцо и Крест Эйнштейна. Оба они зависят оттого, через какую структуру в космосе проходит свет. Если свет поступает к наблюдателю через компактную галактику, форма объекта испустившего луч зрительно увеличивается, кроме того, из точки она превращается в окружность. Именно эту окружность ученые называют Кольцом Эйнштейна.
Второе интересное астрономическое явление – Крест Эйнштейна так же вызвано гравитационным линзированием. Принцип его возникновения аналогичен предыдущему. Разница заключается только в том, что свет от отдаленного объекта проходит не через компактную, а через спиральную галактику. В результате этого мы видим фигуру, своей формой напоминающую крест.
Наиболее интересные гравитационные линзы
Скопление SDSS J1038+4849
Эффект гравитационного линзирования астрономам удалось зафиксировать благодаря мощным оптическим приборам. Среди них орбитальный телескоп Хаббл. К примеру, совсем недавно при помощи телескопа Хаббл был сделан снимок галактического кластера SDSS J1038+4849, состоящего из двух галактик. Излучение одной галактики проходит через другую в результате чего образуется эффект Эйнштейновского Кольца – одной из разновидностей гравитационного линзирования.
Сливающиеся галактики в удаленной части Вселенной: вид через гравитационную линзу
А вот второй схожий объект был обнаружен уже при помощи телескопа Гершель, который был запущен на орбиту в 2009 году. Данный объект представляет собой галактический кластер со сложно запоминающимся именем – H1429-0028. Этот кластер так же, как и предыдущий, состоит из 2-ух галактик, одна из которых выступает линзой. В данном случае вы так же будете наблюдать Кольцо Эйнштейна.
Материалы по теме
Что из себя представляют квазары?
Если же вам интересно увидеть Эйнштейновский Крест, вам придется воспользоваться сверхмощным телескопом. Наведя его на созвездие Пегаса, вы сможете увидеть Крест, который является производным далекого квазара. По некоторым подсчетам он удален от нас на 11 миллиардов световых лет. Спиральная галактика-линза, благодаря которой мы можем наблюдать подобный эффект находится в 10 раз ближе квазара, практически на одной линии с ним.
Интересные факты
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Гравитационные линзы на службе астрономии
Ученые освоили множество способов изучения Вселенной. Один из них основан на наблюдении за поведением света, проходящего вблизи массивных объектов, и называется «гравитационным линзированием». И если мы когда-нибудь детально разглядим поверхности далеких планет, то, скорее всего, благодаря ему.
Принцип гравитационного линзирования
Представьте объект, являющийся источником света, – звезду, галактику или ярчайший квазар. Мы ожидаем, что к наблюдателю на Земле свет от него должен дойти по hüpfburg mit rutsche прямой. Но если на прямой линии между нами и объектом в космосе будет расположен другой объект, то он заслонит от нас источник света.
Однако если объект-препятствие достаточно массивный, то он будет играть роль гравитационной линзы. Его сильное гравитационное притяжение будет изгибать vendita giochi gonfiabili световые лучи от источника, идущие мимо него в других направлениях. Те фотоны, которые изменят свою траекторию под влиянием такой гравитационной линзы и направятся в сторону Земли, сформируют для наблюдателя изображение объекта.
Гравитационное поле очень массивного объекта, такого как планета, звезда, галактика, кластер галактик или даже черная дыра, имеет очень сильное притяжение. Проходящие мимо лучи света попадают в его гравитационное поле, изгибаются и меняют направление своего движения. Возьмем два луча света, идущие от удаленного от нас источника света. Пройдя по разные стороны массивного объекта, заслоняющего этот источник света от нас, они отклоняются от прямого пути и могут сойтись в точке нахождения наблюдателя.
На самом деле таких лучей неисчислимое множество, и в итоге они сформируют для наблюдателя совершенно причудливое изображение первоначального объекта. А так как свет от источника, обогнув гравитационную линзу, может прийти с разных сторон, то и наблюдатель может увидеть два или несколько изображений одного и того же объекта.
Предположение о том, что свет может отклоняться в поле тяготения массивного объекта, впервые было высказано Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности. В 1912 году Эйнштейн предположил, что свет звезд должен отклоняться от своего пути, когда он проходит через гравитационное поле Солнца.
Его идея была впоследствии проверена во время полного солнечного затмения в мае 1919 года Артуром Эддингтоном. Затмение позволило наблюдать звезды вблизи Солнца. Сам по себе эффект оказался невелик, луч света от звезды, проходя мимо солнечного лимба, отклонился всего на 1,75 угловые секунды. Но наблюдения показали, что предположение Эйнштейна верно.
Сама же идея гравитационного линзирования в научной литературе была упомянута в 1924 году российским ученым Орестом Даниловичем Хвольсоном. Однако численные оценки явления были проведены Альбертом Эйнштейном в 1936 году. Сегодня гравитационное линзирование используется для изучения многих явлений и объектов в дальних уголках Вселенной.
Эффекты гравитационного линзирования могут вызывать многие объекты, в том числе звезды и планеты, хотя их довольно трудно обнаружить при наблюдении с Земли. Гравитационные поля галактик и галактических кластеров могут создавать более заметные эффекты линзирования. Недавно выяснилось, что и темная материя, которая имеет гравитационный эффект, также может вызвать линзирование.
Двойной квазар Twin Quasar (QSO 0957+561) Типы гравитационного линзирования
Выделяют три типа гравитационного линзирования: сильное, слабое и микролинзирование. Сильное вызывает легко видимые искажения, такие как образование колец Эйнштейна, дуг или нескольких изображений одного и того же объекта. Сильное линзирование часто позволяет увидеть очень далекие галактики такими, какими они были в далеком прошлом.
Это дает ученым представление о том, какие условия были миллиарды лет назад. Оно также увеличивает свет от очень отдаленных объектов, таких как самые ранние галактики, и часто дает астрономам представление о жизни галактик еще в юности. При слабом гравитационном линзировании искажения фоновых источников намного меньше, и они могут быть обнаружены только путем анализа большого количества источников статистическим способом. Однако слабая линзировка используется для определения количества темной материи во Вселенной. Это невероятно полезный инструмент для астрономов, помогающий понять распределение темной материи в космосе.
В случае микролинзирования искажения формы объекта, как при сильном линзировании, не видны, но количество света, полученного от фонового объекта, изменяется во времени. Это происходит, например, когда одна звезда проходит на линии зрения точно перед другой, более удаленной звездой или иным объектом.
Гравитация более близкой звезды искривляет лучи света, идущие от фонового объекта, в результате он на какое-то время (несколько недель или дней) будет казаться наблюдателю с Земли ярче, чем обычно. Гравитационная линза влияет не только на видимый свет, она одинаково действует на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.
Первая гравитационная линза
Первая гравитационная линза (если не считать эксперимента во время солнечного затмения 1919 года) была открыта в 1979 году, когда астрономы нашли нечто, получившее название Twin QSO. Первоначально астрономы полагали, что этот объект может быть парой очень похожих квазаров. Оба квазара были необычно близки друг к другу, и их красное смещение и спектр видимого света были на удивление похожими.
Но после тщательных наблюдений с помощью 2,1-метрового оптического телескопа в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне астрономы смогли выяснить, что на самом деле это один и тот же объект. Мы видим два его изображения, потому что свет квазара на пути к нам прошел вблизи галактики YGKOW G1, которая находится на расстоянии 4 миллиарда световых лет от Земли. Сам же квазар удален от нас на 8,7 миллиарда световых лет.
Снятая телескопом «Хаббл», так называемая «космическая подкова» – гигантская эллиптическая галактика на z=0,45, линзирующая карликовую галактику на z=2,38 / ©Lensshoe_hubble
Эти наблюдения были сделаны в оптическом диапазоне. Однако позднее команда во главе с Дэвидом Робертсом обнаружила различия между двумя изображениями квазара в радиочастотных изображениях, что внесло некоторые сомнения в предыдущую версию. В середине 1979 года ученые, используя радиотелескоп VLA (Very Large Array), расположенный в штате Нью-Мексико (США), обнаружили релятивистскую струю, выходящую из квазара A без соответствующего эквивалента в квазаре B.
Кроме того, расстояние между двумя изображениями в 6 угловых секунд показалось им слишком велико, чтобы объяснить его гравитационным эффектом галактики YGKOW G1. Но дальнейшие наблюдения с применением радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, проведенные командой ученых во главе с Марком Горенштейном в 1983 году, выявили по существу идентичные релятивистские струи как от квазара A, так квазара B, что говорит о том, что это все-таки два изображения одного и того же объекта.
Небольшие спектральные различия между квазаром A и квазаром B могут быть объяснены разной плотностью межгалактической среды на путях света, что приводит к различному гашению света, то есть поглощению и рассеянию электромагнитного излучения веществом (пылью и газом), находящимся в межзвездном пространстве, так называемой межзвездной экстинкцией. 30 лет наблюдений дали понять, что изображение А квазара достигает Земли примерно на 14 месяцев раньше, чем соответствующее изображение В, что приводит к разнице в длине пути в 1,1 световых года.
С тех пор было обнаружено несколько десятков гравитационных линз, в фокусе которых случайно оказалась наша планета. Наиболее известным видимым результатом гравитационного линзирования является кольцо Эйнштейна. В случае когда удаленный источник, гравитационная линза и телескоп на Земле выстраиваются в линию, астрономы могут видеть кольцо света вокруг изображения объекта, создавшего гравитационную линзу. Эти кольца света называются «кольцами Эйнштейна», реже – «кольцами Хвольсона-Эйнштейна».
Для науки кольца Эйнштейна интересны тем, что они дают возможность подробно рассмотреть очень далекие объекты, их структуру и идущие там процессы. Без случайно образовавшейся гравитационной линзы мы бы не смогли их увидеть. Более близкий объект срабатывает как линза, увеличивая видимый размер удаленного.
Однако исходный источник света будет наблюдаться в виде кольца вокруг массивного объекта линзирования, только если сам источник света, линза и наблюдатель находятся на одной линии. В случае отклонения взаимного расположения объектов от прямой, наблюдателю будет доступен только участок дуги.
Крест Эйнштейна, наблюдаемый в созвездии Пегаса, на самом деле представляет собой четыре изображения одного квазара с галактикой-линзой в центре. Для его визуального наблюдения необходим телескоп с полуметровым диаметром объектива. Сам квазар Q2237+030 располагается примерно в 8 миллиардах световых лет от Земли, а линзирующая галактика ZW 2237+030 – в 20 раз ближе: в 400 миллионах световых лет от нас.
Крест Эйнштейна – четыре изображения далекого квазара обрамляют близкую галактику, служащую в данном случае гравитационной линзой / ©NASA
Изображений четыре, так как ядро галактики-линзы обладает так называемым квадрупольным распределением плотности. Гравитационные поля многих объектов в космосе не обладают сферической симметрией, поэтому в результате гравитационного линзирования может появиться несколько изображений одного объекта.
Миссия к солнечному фокусу
Сегодня мы наблюдаем гравитационные линзы с Земли и с космических обсерваторий на орбите. Мы не можем выбирать желаемый объект для наблюдения. И если бы мы хотели, например, рассмотреть с помощью гравитационной линзы окрестности какой-либо звезды, нам следовало бы отправить телескоп в определенную точку космического пространства, которая находилась бы на одной линии с интересующим нас объектом и достаточным по массе объектом, создающим гравитационную линзу.
Но почему бы и нет? Подходящий объект, который может создать гравитационную линзу, – это Солнце. Вспомним эксперимент, проведенный Артуром Эддингтоном. Траектории лучей света, проходящих мимо солнечного лимба, отклонились, а следовательно, они рано или поздно сойдутся.
Минимальное расстояние, на котором это произойдет, равно примерно 550 астрономическим единицам от Солнца.
Сигнал от звезды в этой точке будет усилен многократно. Как считают ученые, если установить в этой точке телескоп, то вокруг Солнца можно будет увидеть яркое кольцо – кольцо Эйнштейна, так будет наблюдаться усиленный сигнал интересующей нас звезды. К слову, такой фокус есть и у нашей планеты, но, по понятным причинам, он находится гораздо дальше, на расстоянии в 13 000 астрономических единиц от нее.
Еще в 1979 году физик Вон Эшлеман из Стэнфордского университета предложил создать космический аппарат, который можно было бы отправить в гравитационный фокус Солнца. Новую жизнь в эту идею вдохнул итальянский астроном Клаудио Макконе, предложивший в 1992 Европейскому космическому агентству миссию FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), предполагающую отправку космического аппарата в гравитационный фокус Солнца.
Макконе полагает, что это позволит получить нам уникальные данные об интересующих нас планетных системах, вплоть до получения подробных изображений поверхностей экзопланет. Как отмечает Макконе, использование звезд в качестве гравитационных линз является логичным следующим шагом для астрономов, который даст нам поистине неповторимые возможности. «Каждая цивилизация получает от Вселенной великий дар: объектив такой силы, который никакая разумная технология не могла бы повторить или превзойти. Этот объектив – звезда цивилизации. В нашем случае наше Солнце», – говорит Макконе.
Кольцо Эйнштейна в радиодиапазоне
На этой фотографии совмещены два изображения, полученные на разных телескопах. Синее размытое пятно в центре — это галактика, находящаяся на расстоянии 4 млрд световых лет от нас, сфотографированная телескопом «Хаббл» на пределе его разрешающей способности. Красное кольцо — изображение галактики SDP.81, находящейся в точности позади первой на расстоянии около 12 млрд световых лет от нас. Оно более детализированное, потому что получено системой радиотелескопов ALMA, максимальная разрешающая способность которой составляет около 23 миллисекунд дуги — это всё равно что увидеть с Земли, сколько пальцев показывает космонавт на МКС.
Подобные кольцевые изображения получаются, когда свет от далекой (фоновой) галактики линзируется за счет гравитации какого-нибудь массивного объекта, который расположен на пути к наблюдателю, — например, отдельной галактики или даже скопления галактик. В данном случае такой линзой является галактика, которая в радиодиапазоне светит слабо.
Схема работы гравитационной линзы. В роли линзы выступает передняя галактика. Она искривляет путь света от более далекой галактики, которая находится за ней, направляя его в телескоп. На экране справа показано, как эту систему видит наблюдатель. Изображение с сайта space.com
Отклонение света в поле тяготения массивного объекта, на котором основан эффект гравитационного линзирования, было одним из основных предсказаний Общей теории относительности (см. также Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции»). И оно блестяще подтвердилось во время солнечного затмения 1919 года. Была специально организована экспедиция в Южное полушарие, и в результате Эддингтону удалось сделать снимки, на которых были видны звезды рядом с Солнцем в момент полной фазы затмения. Аккуратные подсчеты, которыми занимался Фрэнк Дайсон, показали, что свет действительно отклоняется, проходя вблизи Солнца, то есть численно подтвердили правильность предсказаний ОТО.
Впервые идея гравитационного линзирования в научной литературе была упомянута, как ни странно, только в 1924 году российским ученым Орестом Хвольсоном, а численное описание это явление получило еще позже, в 1936 году, в известной работе Эйнштейна. Поэтому гипотетический результат гравитационного линзирования вошел в литературу под названием «кольца Эйнштейна». Правда, Эйнштейн рассматривал линзирование для звезд и, возможно, поэтому сделал ремарку, что «нет никакой надежды наблюдать подобное явление напрямую».
К счастью, в этом Эйнштейн оказался неправ: в 1988 году астрономы впервые нашли кольцо Эйнштейна в радиодиапазоне. Сейчас всевозможных явлений гравитационного линзирования известно уже очень много, а процесс их поиска полностью автоматизирован.
Для примера ниже показано изображение скопления галактик MACS J1206, сделанное телескопом «Хаббл». Из-за того, что в скоплении огромное количество темной материи, почти на всех галактиках можно заметить следы гравитационного линзирования — характерное сжатие и удлинение изображения.
Скопление галактик MACS J1206. Изображение с сайта spacetelescope.org
Если распределение массы в линзирующем объекте недостаточно правильное, то наблюдается не кольцо, а более сложно измененное изображение далекого объекта, как на фото ниже. Такое в основном бывает с очень далекими объектами типа квазаров.
Крест Эйнштейна — квазар QSO 2237+0305, свет от которого линзируется галактикой ZW 2237+030. При этом изображение квазара учетверяется. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
При всей своей красоте эффект линзирования является еще и одним из самых важных инструментов космологии, так как это один из немногих, а в некоторых случаях и вовсе единственный способ измерения распределения массы галактик и далеких скоплений, в которых основная масса содержится не в звездах и пыли, а в виде темной материи (которая поэтому и является основной причиной линзирования). Имея на руках линзированное изображение, можно попытаться восстановить форму и массу самой линзы, тем самым изучая распределение темной материи в пространстве.
Например, в линзе, которая показана на верхней фотографии, после анализа незначительного искажения «радиокольца» предсказали существование карликовой галактики-спутника, расположенной недалеко от основной линзирующей галактики (напомним, что на фото она показана синим). На следующей фотографии эта карликовая галактика, предположительно почти полностью состоящая из темной материи, показана как белое пятно левее и ниже центра.
Составное изображение результата гравитационного линзирования галактики SDP.81 с предсказанной «пустой» карликовой галактикой (белое пятно возле левой из красных дуг). Изображение с сайта public.nrao.edu
В завершение — космический смайлик из колец Эйнштейна от телескопа «Хаббл» 🙂
