Окольцованный: как гравитация дает астрономам мощную линзу для изучения Вселенной

В 1919 году астрономы Артур Эддингтон и Эндрю Кроммелин cфотографировали полное солнечное затмение. Солнце в то время находилось в созвездии Тельца, и на фотографиях можно было увидеть небольшое количество его звезд. Но звезды оказались не совсем в ожидаемых местах. Колоссальная гравитация Солнца исказила свет от этих звезд, тем самым создавая впечатление, что они не на своих местах. Это была первая демонстрация того, что гравитация способна исказить свет, как предполагал Альберт Эйнштейн в 1915 году.

Искривление света массой звезды или галактики — одно из главных предположений общей теории относительности. Хотя Эйнштейн первым предсказал отклонение света от одной звезды, другие, такие как Оливер Лодж, утверждали, что большая масса может действовать как гравитационная линза, искажая свет подобно тому, как стеклянная линза его фокусирует. К 1935 году Эйнштейн продемонстрировал, как свет из далекой галактики может искажаться галактикой перед ней, создавая кольцо света. Так называемое «кольцо Эйнштейна», придает дальней галактике образ кольца или дуги света вокруг ближней галактики. Эйнштейн думал, что этот эффект никогда не смогут наблюдать. Эти дуги света были слишком слабыми для оптических телескопов. Эйнштейн оставался прав до 1998 года, когда космический телескоп Хаббл зафиксировал кольцо вокруг галактики B1938+666. Это было первое наблюдаемое оптическое кольцо, но не первое кольцо Эйнштейна. Первое кольцо было замечено в радиосвете и было захвачено большой антенной решёткой (VLA).

В 1987 году группа студентов Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, во главе со студенткой Джеки Хьюитт использовала VLA для получения подробных изображений известных радиоизлучающих объектов. Один из них, известный как MG1131+0456, имел отчетливую овальную форму с двумя яркими лепестками. Хьюитт и ее команда рассмотрели несколько моделей, чтобы объяснить необычную форму, но только кольцо Эйнштейна соответствовало данным. Галактическое предсказание Эйнштейна наконец сбылось.

Радиоастрономия особенно полезна при наблюдении таких колец Эйнштейна. Они стали мощным инструментом для радиоастрономов. Как и стеклянная линза, гравитационная линза фокусирует свет, чтобы объект казался ярче и крупнее. Наблюдая за такими явлениями, радиоастрономы могут изучать галактики, которые были бы слишком далекими и слабыми, чтобы их можно было увидеть. Кольца Эйнштейна можно использовать для измерения массы ближайшей галактики или галактического скопления, поскольку величина гравитационного линзирования зависит от массы галактики спереди.

Одним из наиболее интересных аспектов гравитационного линзирования является то, что его можно использовать для измерения скорости расширения Вселенной. Свет от дальней галактики может идти разными путями, проходя мимо ближней галактики. Каждый из этих путей может иметь разное расстояние, а значит, свет может достигать нас в разное время. Мы могли бы несколько раз увидеть вспышку света из галактики, каждый раз с разной траектории. Астрономы могут использовать это для расчета галактического расстояния и, следовательно, масштаба космоса.

С момента первого обнаружения кольца Эйнштейна, радиоастрономы обнаружили больше таких колец и более подробно их фиксировали. В 2015 году, например, Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая матрица (ALMA) сделала подробное изображение линзовых дуг из далекой галактики SDP.81. Изображение было достаточно четким, чтобы астрономы могли проследить дуги до источника, чтобы изучить, как звезды формировались в галактике.

Кольца Эйнштейна теперь часто можно увидеть на астрономических изображениях, особенно на изображениях глубокого космоса, вроде изображений космического телескопа Джеймс Уэбб. Как показала радиоастрономия, они не просто красивы. Они дают нам новый взгляд на космос.

источник: