Гравитационные линзы или как увидеть очень далёкие галактики на старом телескопе?

Астрономия – такая наука, которая работает благодаря практически единственному источнику информации о небесных телах – свету (различным его формам). Сейчас уже мы можем использовать и гравитационные волны, и нейтрино, чтобы получать информацию о далёких объектах, кроме световой. Но и свет может дать нам больше информации о далеких объектах, благодаря гравитации.

Когда свет от далёких объектов (квазаров или целых галактик) путешествует по Вселенной, он отклоняется массами (такими же галактиками или их скоплениями), которые лежат на пути следования света, чем дальше находится источник излучения, тем вероятнее, что его излучение искривится массивным объектом, лежащим на пути светового пучка.

Свет, исходящий от квазаров или других ярких объектов (например, вспышек сверхновых или галактик) движется параллельным пучком, хоть фотоны и не имеют массы покоя, но зато они имеют энергию, которая выражается в виде E=hv, где v – частота излучения, а h – постоянная Планка, таким образом, масса фотона может быть выражена через формулу Эйнштейна: m = E/c^2 (энергия, делённая на скорость света в квадрате, от знаменитой формулы E=mc^2). И если у частицы есть масса, она будет «притягиваться» другим массивным телом (например, чёрной дырой, нейтронной звездой, планетой) и искривлять свою траекторию в гравитационном поле этого тела, тогда параллельный пучок фотонов, исходящих от далёкого квазара будет собираться в ещё более концентрированный пучок, а гравитационное поле галактики, которая оказалась на пути этого пучка, будет работать как линза, которая и будет собирать фотоны в ещё более концентрированный пучок, искривляя их траектории.

Но, кажется, что гравитационная линза и обычная линза – одно и то же, но это не совсем так, гравитационная линза не имеет точки фокуса, т.е. фокус, конечно, есть, но он находится так далеко, что даже самые массивные тела или их скопления (например, галактики или скопления галактик) не могут на таком расстоянии от них создать эту точку фокуса, поэтому считается, что гравитационные линзы способны лишь искривлять пучки света.

Другое отличие состоит в том, что идеальная оптическая линза будет собирать все лучи, падающие на неё в одной точке, независимо от расстояния до центра линзы, а вот гравитационная ведёт себя иначе, потому что сила притяжения убывает как квадрат расстояния, соответственно, луч света, проходящий далеко от центра массивного тела, искривится меньше и его точка фокуса будет дальше, чем у луча, который проходит ближе к центру, таким образом единого фокуса у всех лучей не будет. В целом, реальные линзы тоже обладают таким свойством, но зависит это не от расстояния от центра, а от свойства световых волн разной длины (хроматическая аберрация).

Точку фокуса обычной линзы мы можем наблюдать, если возьмём двояковыпуклую линзу в солнечный день и наведём её на бумагу, тогда пучок света сконцентрируется в точку и в этом месте бумага начнёт гореть, это и будет точкой фокуса линзы. У гравитационной линзы такой фокус будет практически на бесконечности.

Поэтому мы чаще всего видим искривлённым гравитационным полем квазары, потому что они удалены от нас на огромные расстояния между нами и квазарами с большей вероятностью возникнет огромная галактика или их скопление, способное искривить пучок света от квазара.

Буквально на днях команда телескопа Хаббл рапортовала об открытии очень далёкой галактики благодаря эффекту гравитационного линзирования другими галактиками света от неё, таким образом, яркость этой галактики увеличилась, и Хаббл смог на пределе своих способностей её зафиксировать. Подробнее об этой новости можно почитать тут: https://nplus1.ru/news/2018/01/12/embryonic-galaxy-in-early-universe

Телескоп Хаббл уже отслужил своё, на замену ему готовят новый -Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, он уже сможет отнаблюдать эту галактику во всех подробностях, а пока Хабблу нужны гравитационные линзы - бесплатные помощники для старого телескопа.

Этот эффект впервые наблюдался английским астрофизиком Артуром Эддингтоном в 1919 году во время полного солнечного затмения он наблюдал звезды, которые должны были бы быть закрыты диском Солнца, если бы свет от них распространялся по прямой линии. Угол, на который фотоны отклонялись в поле тяжести Солнца, в точности соответствовал предсказаниям теории относительности, и был в 2 раза больше, чем по предсказаниям теории Ньютона (которая также предсказывала отклонения луча света в поле тяготения, таким образом теория Эйнштейна была подтверждена экспериментально с помощью такого нехитрого наблюдения). Некоторые исследователи утверждают, что результаты Эддингтона страдают от систематических ошибок, а неопределенности при измерении настолько велики, что не позволяют сделать какое-либо определённое заключение, хотя современный повторный анализ данных подтверждает правоту Эддингтона.

В 1937 году американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки предложил использовать явление гравитационной линзы, создаваемой скоплениями галактик, для наблюдений далеких галактик. Эта идея положила начало использованию гравитационных линз в космологии. Однако задача обнаружения слабых искажений изображений далеких источников оказалась настолько сложной, что лишь в 1979 году была открыта первая гравитационная линза -- изображение квазара Q0957+561 имело своего "двойника" с тем же спектром и красным смещением. Позже удалось отнаблюдать саму линзу - гигантскую галактику, оказавшуюся на пути между квазаром и нами. 

P.S.

Стоит заметить, что всё, о чём мы говорили выше – это галактические гравитационные линзы, а бывают ещё и микролинзы, т.е. непрозрачные гравитационные линзы или обычные тела, такие как планеты, нейтронные звёзды или чёрные дыры, когда эти объекты проходят на пути луча, то яркость его резко увеличивается и потом также резко падает. Наблюдается эффект микролинзирования.

Также не стоит путать гравитационные линзы и микролинзы с гравитационными волнами.