Взгляд сквозь облако
Что такое предельное рассеяние и как его увидеть
На прошлой неделе в Science были опубликованы наблюдения очень редкого и интересного астрономического явления, когда облако межзвездного газа выступает в роли линзы, отклоняя часть фотонов, испущенных далекими квазарами. Хотя подобное событие сразу же вызывает ассоциации с гравитационными линзами, природа этих процессов совершенно различна. И в случае «газовой линзы» существенно менее ясна.
В 1987 году американский астрофизик Фидлер открыл неожиданное изменение интенсивности внегалактических радиоисточников — в течение месяца плотность потока сначала немного увеличилась, потом упала в два раза относительно исходной, а затем восстановилась до прежней величины. Ни до ни после этот источник не демонстрировал подобного поведения. Явление назвали предельным рассеянием или событием Фидлера, extreme scattering event в английской терминологии. И почти сразу появилась теория, согласно которой между нами и этим источником оказывается плотное облако холодного газа, которое действует как линза, отклоняя часть света. Это облако должно быть размером примерно в миллиард километров и находиться от нас на расстоянии около 3000 световых лет (то есть внутри нашей Галактики).
Почему появление какого-то облака более вероятно, чем ослабление самого источника? Дело в том, что все зарегистрированные события наблюдались у квазаров. Квазар — это огромный и мощный объект, который состоит из сверхмассивной черной дыры, аккреционного диска и, иногда, джетов. Квазар производит больше энергии чем целая галактика. Квазары переменны во всех диапазонах электромагнитного спектра, потому что темп аккреции на сверхмассивную черную дыру в каждый момент произволен. Однако, эта переменность абсолютно хаотична и незначительна по сравнению с полной мощностью излучения. Такие огромные объекты не могут стать тусклее в два раза всего за несколько дней — для этого нужны многие миллионы лет. Поэтому логично предположить, что в случае предельного рассеяния меняется не светимость как характеристика источника, а звездная величина, — яркость источника, какой ее видит наблюдатель. И главным кандидатом в причины этого падения светимости является облако холодного газа.
Проблема в том, что если посчитать давление плазмы (напомним, что после окончания эпохи Реионизации почти весь газ во Вселенной находится в ионизованном состоянии, то есть это плазма) в облаке-линзе, то оно оказывается в тысячу раз больше давления окружающей среды. Это странно и неожиданно, потому что такие облака должны быстро разрушаться. А значит и вероятность прохождения облака между нами и квазаром должна быть исчезающе мала, а мы видим такие события достаточно часто. Значит, либо эти облака постоянно образуются в нашей Галактике (что маловероятно), либо есть какой-то механизм, который позволяет облаку не рассеиваться достаточно длительное время.
Более того, интересна форма линзы — это сферически-симметричный или протяженный объект? Как распределена его плотность? С точки зрения оптики — это собирающая или рассеивающая линза?
Пока почти все зарегистрированные радиотелескопами ослабления потока были обнаружены постфактум, хотя было бы очень хорошо увидеть ослабление потока прямо во время наблюдений и тут же навестись на этот источник другими телескопами. Вот как разные телескопы могут помочь понять природу этого эффекта:
- хорошие радионаблюдения дадут величину
линейной плотности облаков.
- наблюдения с помощью интерферометрии со
сверхдлинными базами (РСДБ)
дадут точные размеры и геометрию линзы.
- оптические телескопы помогут разглядеть
присутствие пыли, которая поглощает часть излучения на коротких волнах и скрадывает
истинные параметры квазаров,
- спектроскопические наблюдения в оптическом
диапазоне установят химический состав линзы и ее физические свойства
(температура, плотность и так далее).
- регистрация эффекта
Фарадея с помощью измерения поляризации излучения позволяет измерить
магнитное поле линзы.
Измерение любого из этих параметров может привести к настоящему прорыву в изучении строения линзы.
Авторы статьи в Science придумали новую схему наблюдений случаев предельного рассеяния в реальном времени с использованием австралийского компактного массива телескопов ATCA — шести телескопов, диаметр принимающей тарелки каждого из которых составляет 22 метра. 1000 активных ядер галактик наблюдаются раз в месяц. 50 секунд наблюдений хватает для получения непрерывного спектра источника в полосе 4-8 ГГц. Таким образом, всего за 24 часа можно получить спектры всех источников из выборки (остальной месяц телескопы работают по другим программам наблюдений). Таких редких измерений достаточно для обнаружения изменения спектра в результате наступления события предельного рассеяния.
Всего через два месяца после начала наблюдений был обнаружен первый источник, у которого резко поменялся радиоспектр. Телескоп стал мерить поток квазара каждый день и уже через 100 дней на графике отчетливо были видны два пика, которые никто не ожидал и которые надо объяснить.
Красное смещение источника (то есть расстояние до него) и точный его тип все еще не были известен к этому моменту. Дополнительные измерения на 8-метровом оптическом телескопом Gemini South помогли установить вклад пыли в изменение видимого потока относительного истинного. Кроме того, были получены изображения 1,3 метрового телескопа сети SMARTS в Чили. Эти измерения, полученные в видимом и ИК-диапазонах не зарегистрировали никакого изменения видимого блеска квазара, что подтверждает гипотезу об облаке газа, который работает как линза.
Дело в том, что индекс преломления света в любой прозрачной среде зависит от длины волны (именно поэтому свет в призме раскладывается в спектр). Но он не просто зависит от длины волны — он пропорционален λ2, чем больше длина волны, тем сильнее будет отклонение, поэтому логично, что радиоволны будут отклоняться сильнее всего и радиоизлучение квазаров будет ослабевать.
Далее авторы провели наблюдения с помощью нескольких радиотелескопов, объединенных в две сети — та самая интерферометрия на сверхдлинных базах — VLBA, расположеную в США и Australian LBA, расположенную, соответственно, в Австралии. Оказалось, что в радиодиапазоне объект не только ослаб, но и сдвинулся примерно на одну угловую миллисекунду, как сдвинулся бы любой объект, если смотреть на него сквозь обыкновенное увеличительное стекло.
Было бы хорошо определить и геометрию линзы, но для этого пока не хватает изображений. Поэтому ученые пошли другим путем: они построили одномерный «срез» плотности электронов облака плазмы и вычислили, какой форме облака подобный срез подойдет лучше — анизотропной (не уточняя конкретную форму) или сферически симметричной.
Данные наблюдений не дают однозначного ответа, какая модель лучше, однако анизотропная гипотеза все-таки более предпочтительна. Если следовать ей, то облако газа работает как рассеивающая линза. Это не очень хорошо с точки зрения теории, и вот почему. Напомним, что для такого значительного отклонения радиолучей давление в линзе должно быть в тысячу раз выше, чем в окружающей чрезвычайно разреженной среде, а её температура превышает 3000 Кельвин. И если самогравитирующая сферически симметричная линза могла в принципе иметь такое высокое давление внутри себя, то как это возможно для анизотропной линзы, у которой не хватает массы даже для того, чтобы собраться в подобие сферического облака — до сих пор загадка.
Работа проекта по поиску таких предельных отклонений только началась, поэтому необходимо подождать, пока будет накоплена достаточная статистика по таким событиям. Авторы предполагают, что в некоторых случаях подобные линзы смогут формировать двойные изображения одного и того же квазара, а это даст прекрасную вохможность определить точную форму линзы.
Марат Мусин
Это позволило увидеть сахаровские осцилляции в лабораторных условиях
Немецкие физики с помощью двумерного бозе-конденсата атомов калия симулировали поведение квантовых полей в искривленном пространстве-времени. Для создания нужной метрики они меняли плотность конденсата и силу взаимодействия атомов друг с другом в пространстве и во времени. Авторы убедились, что движение акустических волн хорошо описывается предсказаниями общей теории относительности, а расширение пространства вызывает спонтанное рождение пар фононов, демонстрирующих сахаровские осцилляции. Исследование опубликовано в Nature. Общая теория относительности сделала возможным исследование того, как зарождалась и развивалась наша Вселенная. Она оперирует языком кривизны пространства-времени, которая математически описывается с помощью метрического тензора (метрики). Метрика задает нам правила определения длин в искривленном пространстве-времени, и, следовательно, то, какими будут его геодезические — так в теории относительности называют линии свободного падения тел. Поведение квантового вакуума также оказалось чувствительным к свойствам пространства-времени. Сейчас ученые уверены, что характер расширения ранней Вселенной сыграл ключевую роль в квантовофлуктуационном рождении элементарных частиц и последующего формирования привычной нам материи. Главным источником проверки космологических теорий по сей день остаются астрономические наблюдения. Тем не менее, еще в 80-е годы прошлого века Унру заметил, что распространение звука в сходящемся потоке жидкости очень похоже на поведение квантовых полей в классическом гравитационном поле. С тех пор физики сделали множество попыток симуляции космологических эффектов с помощью более доступных явлений и сред. Одной из таких работ стало исследование спектра излучения Хокинга, испускаемого акустическим аналогом черной дыры, которую ученые воссоздали в конденсате Бозе — Эйнштейна. Селия Вирманн (Celia Viermann) и ее коллеги из Гейдельбергского университета пошли дальше и превратили двумерный конденсат холодных атомов в аналог вселенной размерности 2+1 с произвольной метрикой. Симулируя пространство-время с различной кривизной, физики показали, что движение акустических волновых пакетов вдоль геодезических происходит согласно предсказаниям общей теории относительности. Когда же ученые заставили искусственную вселенную расширяться, они увидели, как в ней спонтанно рождаются пары фононов, демонстрирующие осцилляции Сахарова. Возможность подобных симуляций обуславливает тот факт, что элементарные возбуждения квантовых полей в вакууме и в конденсированных средах описываются похожим образом. Методы квантовой теории поля, привнесенные в физику твердого тела в середине прошлого века, помогли бурному развитию последней. Стоит учитывать, однако, что свойства квазичастиц, например, фононов, напрямую зависят от свойств самих сред. Так, скоростью звука в конденсате можно управлять «на лету», меняя его плотность и силу взаимодействия между атомами в пространстве и времени, в отличие от скорости света, которая всегда постоянна. Тем не менее, если перейти к системе координат, в которой скорость звука будет считаться постоянной, это будет эквивалентно привнесению кривизны в акустическое пространство-время. Физики начали с экспериментов с двумерным конденсатом, запертым в радиально-симметричной гармонической ловушке. Оказалось, что таким способом можно реализовать 2+1-мерное гиперболическое пространство (то есть пространство с отрицательной кривизной) с метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера. Чтобы посмотреть, как движутся волны в таком пространстве, авторы фокусировали в середину облака короткий лазерный импульс и фотографировали конденсат в различные моменты времени. Оказалось, что распространение акустического волнового пакета хорошо описывается уравнениями для гиперболических пространств. Ученые повторили эксперимент для пространства с положительной кривизной (сферического пространства), хотя для этого потребовалось нужным образом модифицировать поле ловушки с помощью микрозеркального устройства. На следующем этапе своей работы физики решили исследовать эффекты, вызванные космологическим расширением искусственного пространства. Для этого они связали масштабный фактор расширения со скоростью звука в лабораторной системе координат. Для временно́го контроля последней ученые использовали магнитное поле, которое через резонанс Фешбаха влияло на длину рассеяния атомов в конденсате. Наращивая поле с различной скоростью, они реализовывали равномерное, ускоряющееся и замедляющееся расширение вселенной. В квантовой теории поля расширение пространства приводит к спонтанному рождению пар частиц. Такой же эффект увидели ученые и в симуляции. Он выражался в том, что в режиме расширения в конденсате спонтанно образовывались флуктуации плотности, соответствующие парам фононов. Со временем волновые функции этих возбуждений распространялись в виде расходящихся волн, интерферируя друг с другом. Чтобы охарактеризовать этот процесс, физики вычисляли корреляционную функцию этих флуктуаций в динамике при различных сценариях расширения и скоростях наращивания поля. Экстремумы этой функции смещались со временем со скоростью порядка 2,5 микрометра в миллисекунду, что равно удвоенному значению скорости звука в конденсате. Другими словами, авторы увидели, как отдаляются противоположные части волновых фронтов вновь рожденных частиц. Наконец, ученые исследовали то, как со временем меняются компоненты разложения корреляционных функций в ряд Фурье. Оказалось, что они испытывают периодическое изменение с хорошей точностью описываемое простым законом косинуса. Обнаруженные осцилляции — это аналог космологических осцилляций Сахарова, то есть колебаний в спектре мощности вещества, наблюдаемое во Вселенной. Авторы убедились, что зависимость амплитуды и фазы этих осцилляций находится в хорошем согласии с теорией. В дальнейшем физики надеются экспериментально исследовать и другие космологические вопросы, например, эволюцию квантовой запутанности, связь горизонтов событий, термодинамические эффекты и многое другое. Ранее мы рассказывали, как американские физики использовали холодные атомы в оптических решетках, чтобы проверить эффект гравитационного красного смещения, вызванного перепадом высоты всего лишь в один миллиметр.