Вселенная не в фокусе

Сегодня мы расскажем вам о слабом гравитационном линзировании. Поводом для этого послужила обзорная статья профессора Маттиаса Бартельманна из университета теоретической физики Гейдельберга, которую он написал специально для образовательного проекта Scholarpedia.

Сначала немного истории: идея о том, что массивные тела способны отклонять свет, восходит к Исааку Ньютону. В 1704 году он писал в своей книге «Оптика»: «...не оказывают ли влияния тела на свет на расстоянии и этим влиянием отклоняя его лучи; и не тем ли сильнее это влияние, чем меньше расстояние [между телом и лучом света]?» Долгое время сама постановка такого вопроса была противоречивой, потому что ньютоновская физика работает только с телами, обладающими массой, а дебаты по поводу природы света, свойств и наличия массы у его частиц шли еще добрых два столетия.

Тем не менее, в 1804 году немецкий астроном Иоганн фон Зольднер, предположив наличие массы у еще не открытых к тому времени фотонов, смог рассчитать угол, на который отклонится свет от далекого источника, если он «чиркнет» по поверхности Солнца и долетит до Земли — луч должен был отклоняться на 0,83 угловой секунды (это примерно размеры копеечной монеты с расстояния 4 километров).

Следующий большой шаг в изучении взаимодействия света и гравитации сделал Альберт Эйнштейн. Его работы по общей теории относительности заменили классическую теорию тяготения Ньютона, где присутствуют силы, на геометрическую. В этом случае масса фотонов уже не важна — свет будет отклоняться просто потому, что само пространство вблизи массивного предмета искривлено. Еще не окончив работы по ОТО, Эйнштейн рассчитал угол отклонения луча света, проходящего вблизи Солнца и получил... в точности те же 0,83 угловой секунды, что и фон Зольднер за сто лет до него. Лишь пятью годами позже, завершив работы над ОТО, Эйнштейн понял, что нужно учитывать не только пространственную, но и временную компоненту кривизны нашего четырехмерного пространства-времени. Это удвоило расчетный угол отклонения.

Давайте попробуем получить этот же угол. Проходя мимо массивного тела, луч света отклоняется, потому что двигается прямо, но в искривленном пространстве. С точки зрения Эйнштейна, пространство и время равноправны, значит, меняется и время, за которое свет дойдет до нас. Следовательно, меняется скорость света.

Это не нарушает никаких законов — скорость света действительно может меняться, если свет идет сквозь какое-то вещество. То есть, по Эйнштейну, отклонение света массивным предметом равносильно его прохождению сквозь некую прозрачную среду. Погодите, это же напоминает коэффициент преломления линзы, который мы все изучали в школе!

Теперь, зная скорость света в линзе, можно получить что-то, что можно измерить на практике, — например, угол отклонения. Для этого нужно применить один из фундаментальных постулатов природы — принцип Ферма, согласно которому луч света двигается так, чтобы минимизировать оптическую длину пути. Записав его на языке математики, мы получим интеграл:

Решать его не надо (да это и очень трудно), главное тут — увидеть двойку перед знаком интеграла. Это та самая двойка, которая появилась у Эйнштейна при учете пространственной и временной компонент и которая увеличила угол отклонения в два раза.

Чтобы взять интеграл, применяют аппроксимацию (то есть упрощенное и приближенное вычисление). Для данного конкретного случая удобнее использовать приближение Борна, которое пришло из квантовой механики и было хорошо известно Эйнштейну:

Знаменитая экспедиция под руководством Эддингтона наблюдала за солнечным затмением 1919 года в Африке, и звезды, которые во время затмения были рядом с солнечным диском, отклонились на угол от 0,9 до 1,8 угловой секунды. Это было первое экспериментальное подтверждение общей теории относительности.

Тем не менее ни сам Эйнштейн, ни его коллеги не задумывались о практическом использовании этого факта. Действительно — Солнце слишком яркое, а отклонения заметны только у звезд вблизи его диска. Значит, наблюдать эффект можно только во время затмений, да и никаких новых данных ни про Солнце, ни про другие звезды это астрономам не дает. В 1936 году чешский инженер Руди Мандль посетил ученого в Принстоне и попросил его рассчитать угол отклонения звезды, свет от которой пройдет рядом с другой звездой (то есть любой звездой кроме Солнца). Эйнштейн сделал необходимые расчеты и даже опубликовал статью, но в ней заметил, что считает эти эффекты пренебрежимо малыми и не поддающимися наблюдению. Однако за идею ухватился астроном Фриц Цвикки, который к этому времени плотно занимался изучением галактик (то, что помимо Млечного Пути существуют другие галактики, стало известно за восемь лет до этого). Он первым понял, что в качестве линзы может выступать не только звезда, но и целая галактика и даже их скопление. Подобная гигантская масса (миллиарды и триллионы масс Солнца) отклоняют свет достаточно сильно, чтобы это можно было зарегистрировать, и в 1979 году, к сожалению, через пять лет после смерти Цвикки, была обнаружена первая гравитационная линза — массивная галактика, которая отклонила свет далекого квазара, проходящий сквозь нее. Сейчас же линзы, вопреки прогнозам Эйнштейна используют совсем не для проверки ОТО, а для огромного числа исследований самых крупных объектов Вселенной.

Различают сильное, слабое и микролинзирование. Отличие между ними заключается в расположении источника, наблюдателя и линзы, а также в массе и форме линзы.

Сильное гравитационное линзирование характерно для систем, где источник света находится близко к массивной и компактной линзе. В результате свет, расходящийся от источника по разные стороны от линзы, огибает ее, искривляется и доходит до нас в виде нескольких изображений одного и того же предмета. Если источник, линза и наблюдатель (то есть мы) находятся на одной оптической оси, то можно увидеть несколько изображений одновременно. Крест Эйнштейна — это классический пример сильного гравитационного линзирования. В более общем случае линза сильно искажает форму объекта, делая его похожим на арку.

Слабое гравитационное линзирование, о котором и пойдет в основном рассказ в нашем материале, не способно сформировать ни четкого изображения, ни даже яркой красивой арки — для этого линза слишком слаба. Однако изображение все равно деформируется, и это дает ученым в руки очень сильный инструмент: известных нам примеров сильного линзирования немного, а вот слабого, для которого достаточно, чтобы две крупные галактики или два скопления оказались на угловом расстоянии около одной секунды дуги, вполне хватает для статистического изучения галактик, скоплений, темной материи, реликтового излучения и всей истории Вселенной от Большого взрыва.

И, наконец, гравитационное микролинзирование — это временное увеличение яркости источника линзой, которая оказалась на оптической оси между ним и нами. Обычно эта линза недостаточно массивна, чтобы сформировать четкое изображение или даже арку. Однако она все равно фокусирует часть света, который иначе бы до нас не дошел, и это делает далекий объект ярче. Этот метод используют для поиска (а точнее говорить — случайного обнаружения) экзопланет.

Напомним, что в этом обзоре мы, следуя за статьей профессора Бартельманна, ограничимся обсуждением именного слабого линзирования. Очень важно, что слабое линзирование, в отличие от сильного, не может создавать ни арок, ни множественных изображений одного и того же источника. Не может даже сколько-нибудь значительно увеличивать яркость. Все, на что оно способно — немного изменить форму далекой галактики. На первый взгляд, это кажется мелочью — мало ли в космосе эффектов, которые искажают объекты? Пыль поглощает свет, расширение Вселенной сдвигает все длины волн, свет, доходя до Земли, рассеивается в атмосфере, а потом еще проходит сквозь неидеальную оптику телескопов — где уж тут заметить, что галактика стала чуть более вытянутой (учитывая, что мы и не знали, какой она была изначально)? Однако тут на помощь приходит статистика — если на небольшом участке неба у галактик есть предпочтительное направление вытянутости — значит, возможно, мы их видим через слабую линзу. Несмотря на то, что современные телескопы могут видеть порядка 40 галактик в квадрате со сторонами в одну угловую минуту (это размеры МКС, как мы ее видим с Земли), искажение, вносимое линзированием в форму галактики, настолько незначительно (не превышает нескольких процентов), что нам нужны очень большие и очень мощные телескопы. Такие, например, как четыре восьмиметровых телескопа комплекса VLT в Чили, или 3,6-метровый телескоп CFHT, расположенный на Гавайях. Это не просто очень большие телескопы — они к тому же могут получать изображение большого участка неба одним снимком, вплоть до одного квадратного градуса (в отличие, например, от очень мощного телескопа Хаббла, один кадр которого покрывает квадрат со стороной всего 2,5 угловой минуты). К настоящему времени опубликовано уже несколько обзоров площадью чуть более 10 процентов неба, которые дали достаточно данных для поиска слабо линзированных галактик.

Надо сказать, что у метода поиска гравитационных линз по ориентации галактик есть несколько допущений. Например, что галактики во Вселенной ориентированы произвольно, а это не обязательно так — с 1970-х годов астрофизики рассуждают о том, должны ли скопления иметь какую-то упорядоченную ориентацию или нет. Последние исследования показывают, что скорее всего нет — даже в ближайших и наиболее массивных скоплениях галактики ориентированы случайным образом, но окончательно этот вопрос не закрыт. Однако, иногда физика бывает и на стороне ученых — гравитационные линзы ахроматичны, то есть, в отличие от линз обыкновенных, они отклоняют свет всех цветов совершенно одинаково и нам не приходится гадать: галактика выглядит красной, потому что она на самом деле красная, или просто потому, что все остальные цвета пролетели мимо нашей планеты?

А есть ли какое-нибудь практическое применение у этого сложного метода? Есть, и не одно — слабое гравитационное линзирование помогает нам в изучении распределения темной материи, а также крупномасштабной структуры Вселенной. Вытянутость галактик вдоль какой-то оси может достаточно точно предсказать массу линзы и ее концентрацию в пространстве. Сравнивая получившуюся теоретическую массу с массой видимых галактик, которую мы умеем достоверно определять по данным оптических и инфракрасных телескопов, можно измерить массу темной материи и ее распределение в той галактике или скоплении галактик, которое выступает в качестве линзы. Нам, например, уже известно, что гало (то есть облако) темной материи вокруг отдельных галактик почему-то более плоское, чем мы думали раньше. Еще одним применением линзирования может стать открытие новых скоплений галактик — до сих пор идут дебаты, может ли у нескольких галактик быть одно гало темной материи на всех, но похоже, что в некоторых случаях это действительно так. И тогда это гало будет служить линзой и укажет на то, что эти галактики не просто находятся рядом друг с другом, а входят в скопление, то есть гравитационно-связанную систему, в которой движение каждой из них определяется влиянием всех участников скопления.

Галактики — это очень хорошо, но можно ли заглянуть с помощью гравитационного линзирования еще дальше — в прошлое, когда галактик и звезд еще не было? Оказывается, можно. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, появившееся во Вселенной всего через 400 000 лет после Большого Взрыва — присутствует в каждом кубическом сантиметре пространства последние 13,6 миллиарда лет. Все это время оно распространяется в разные стороны и несет в себе «отпечаток» ранней Вселенной. Одним из ключевых направлений астрофизики последних десятилетий было изучение реликтового излучения с целью найти в нем неоднородности, которые могли бы объяснить, как из такой симметричной и анизотропной (в теории) изначальной Вселенной могла появиться такая неоднородная и неупорядоченная структура, где в одном месте скопление тысяч галактик, а в другом — пустота на многие кубические мегапарсеки.

Спутники РЕЛИКТ-1, COBE, WMAP, Planck со все большей точностью измеряли однородность реликтового излучения. Сейчас мы видим его настолько подробно, что становится важным «очищать» его от различных шумов, вносимых источниками, не связанными с изначальным распределением вещества во Вселенной — например, из-за эффекта Сюняева-Зельдовича или того самого слабого гравитационного линзирования. Это тот случай, когда его регистрируют, чтобы потом максимально точно удалить из снимков реликтового излучения и продолжать считать — укладывается ли его распределение на небе в стандартную космологическую модель. Кроме того, даже самые точные снимки реликтового излучения не могут рассказать нам всего о Вселенной — это похоже на задачу, где у нас всего одно уравнение, в котором несколько неизвестных (например, плотность барионной материи и спектральная плотность темной материи). Слабое гравитационное линзирование, пускай оно и не дает сейчас таких точных результатов (а иногда и вообще плохо согласуется с данными прочих исследований — см. картинку ниже), но это то самое второе независимое уравнение, которое поможет определить вклад каждого неизвестного в общую формулу Вселенной.

Подобные космологические исследования чрезвычайно сложны — если попытаться снова применить аналогию с линзой, то представьте, что вы смотрите на предмет сквозь очень толстую линзу, в которой местами вместо стекла вставлены алмазы или просто вода с совершенно другими коэффициентами преломления. А еще эта линза растягивается во времени.

Как замечают авторы статьи, измерение искажения галактик, вносимое слабым гравитационным линзированием, и получение на его основе информации об истории всей Вселенной сродни настоящему искусству и удивительно наблюдать за быстрым развитием этой области астрофизики.

Марат Мусин