Гравитационное линзирование — это отклонение лучей света гравитационным полем материального объекта. Этот эффект был предсказан общей теорией относительности Эйнштейна: согласно ей пространство и время объединены в сущность под названием «пространство-время», которое может искривляться. Для чего используется гравитационное линзирование и как можно проверить теорию гравитации, рассказывает астростатистик Алан Хэвенс.
Следствия общей теории относительности
Теория Эйнштейна говорит нам в том числе о том, как именно пространство-время искривляется, а оно искривляется под воздействием материи. Чтобы примерно понять, как это происходит, представьте себе резиновую мембрану, на которую положили тяжелое пушечное ядро. В этом случае мембрана изогнется. Кроме того, общая теория относительности описывает, как материя движется в пространстве-времени: если вы представите себе, что рядом с пушечным ядром на мембране толкнули маленький шарик, траектория его движения будет не прямой, а искривленной.
Этот феномен наблюдается также и для света: гравитационное поле материи искривляет траекторию движения лучей света. У этого есть ряд полезных применений в астрономии: например, из-за отклонения света меняется расположение объектов на небе. Это было подтверждено в знаменитом эксперименте сэра Артура Эддингтона, проведенном сто лет назад, в рамках которого он исследовал свет звезд, расположенных почти за Солнцем. Свет, проходящий совсем рядом с краем солнечного диска, искривляется под воздействием гравитации и изменяет видимое положение звезд друг относительно друга. Следовательно, сравнивая положение звезд, когда Солнце находится почти на луче зрения и когда оно находится в другом месте, можно зафиксировать степень отклонения света.
Это сложно сделать, поскольку Солнце очень яркое, поэтому для проведения эксперимента пришлось дождаться солнечного затмения. Так совпало, что радиус Луны примерно в 400 раз меньше радиуса Солнца, но при этом Луна располагается в 400 раз ближе к Земле, так что она отлично закрывает собой солнечный свет. Результаты наблюдений оставались несколько дискуссионными, но в конечном счете они продемонстрировали правоту теории Эйнштейна по сравнению с теорией Ньютона, которая предполагала, что звезды сдвинутся всего на половину того расстояния, которое предсказала теория Эйнштейна. Последующие эксперименты однозначно подтвердили правоту Эйнштейна.
Второй эффект общей теории относительности состоит в том, что зачастую источники света, искаженного гравитацией, становятся ярче. Это видно, когда одна звезда проходит за другой: тогда она сначала становится ярче, а затем возвращается к своей нормальной яркости. Мы можем использовать этот эффект в разных целях. Представим, что одна звезда проходит перед другой и при этом вокруг нее обращается планета. Тогда эта планета тоже внесет свой вклад в эффект линзирования, и таким образом ее можно обнаружить. Кроме того, с помощью этого эффекта мы можем попытаться понять, где в Млечном Пути сосредоточена темная материя. Мы пришли к выводу о том, что она в основном не сконцентрирована в «темных объектах» наподобие черных дыр или коричневых карликов, поскольку в Галактике не наблюдается соответствующего микролинзирования.
Третий эффект состоит в том, что гравитационное линзирование меняет очертания изображений. Мы видим это, например, в очень крупных скоплениях, где может собраться тысяча галактик. Их суммарная масса так велика, что свет искажается очень сильно и может вытягиваться в длинные тонкие арки. Иногда вы даже можете увидеть одну и ту же галактику дважды, если исходящий от нее свет отклоняется в двух или более направлениях, а затем все равно попадает в телескоп. Это многое может нам сказать о том, какой объект обеспечил такой эффект.
Темная энергия и теория гравитации
Среди всего прочего гравитационное линзирование используется для исследования природы темной материи. В пример можно привести скопление галактик Пуля, в котором два скопления галактик столкнулись друг с другом примерно 150 миллионов лет назад. Шансы на взаимодействие звезд в этих галактиках очень малы, так что мы видим, как они проходят друг мимо друга, но в галактиках также содержится и газ, и, когда облака газа сталкиваются, они нагреваются от ударной волны и остаются посередине. Таким образом, мы видим два скопления галактик и горячий газ между ними и можем использовать эффект гравитационного линзирования, чтобы определить, где заключена большая часть массы.
Оказалось, что она связана с галактиками, то есть темная материя прошла насквозь вместе с галактиками и не осталась в центре, ее оказалось много — большая часть массы ассоциируется с темной материей. Это представляет серьезную проблему для альтернативных теорий гравитации, которые пытаются избежать необходимости вводить темную материю. Если темной материи не существует, то эффекты линзирования должны быть связаны с газом, который составляет большую часть массы галактики, однако, по нашим наблюдениям, большая часть массы ассоциируется не с газом, а с галактиками.
Эффект линзирования здесь очень силен, но, кроме того, мы видим очень слабый эффект линзирования по всему небу. Если вы посмотрите на удаленную галактику, пришедший в ваш телескоп свет окажется немного искаженным: формы объектов меняются примерно на 1–2%. Этот эффект наблюдается в любой точке звездного неба. С одной стороны, это искажение слегка мешает, а с другой — многое говорит нам о структуре Вселенной. Мы не знаем, какими были точные формы галактик до того, как произошло линзирование, и определить их непросто, но мы можем статистически оценить получаемый сигнал. Свет от удаленных объектов добирался до нас в течение многих миллиардов лет, и за это время Вселенная развивалась и становилась более комковатой из-за того, что гравитация притягивала объекты друг к другу, так что этот свет показывает нам, как быстро формировалась структура Вселенной. Это зависит от законов гравитации и других показателей — например, от количества темной энергии во Вселенной, которая вносит наибольший вклад в энергетический бюджет Вселенной. Так что линзирование позволяет нам оценить составные элементы Вселенной и уточнить теорию гравитации.
Эта область исследований сравнительно молодая: эффект линзирования был обнаружен на рубеже XX–XXI веков, но теперь это стандартный инструмент космологических исследований. С его помощью можно проверить наши теории гравитации, поскольку свет и медленные частицы по-разному реагируют на гравитацию, а в теории Эйнштейна между ними есть очень простые взаимоотношения. Если мы посмотрим на распределение масс, полученное при помощи исследования эффектов линзирования, и на распределение материи от медленных объектов вроде галактик, мы можем проверить эту теорию.
Итак, что же мы знаем к настоящему моменту? Пока что все говорит о том, что теория гравитации Эйнштейна прекрасно работает, а темная энергия — это форма космологической постоянной Эйнштейна. Есть указания на то, что, вероятно, Вселенная не настолько комковата, как следовало бы ожидать при изучении эффектов линзирования.
Расхождения не такие большие, чтобы стоило волноваться, но если они подтвердятся, то это может указать на то, что, возможно, наши представления не вполне верны, а теорию гравитации Эйнштейна нужно доработать на крупных масштабах или что темная энергия — это не космологическая постоянная Эйнштейна, а намного более сложный и даже загадочный объект. Чтобы это установить, нам понадобятся более точные данные, которые можно будет получить с аппарата Euclid, который разрабатывает Европейское космическое агентство (его планируют запустить через несколько лет).
Я занимаюсь статистическим анализом линзирования: мы разрабатываем методы исследования линзирования по жестким статистическим принципам. Это сложная статистическая задача, поскольку сигнал очень слабый, и нам нужны большие объемы данных и большое число объектов, чтобы сделать научно обоснованные выводы. Но с точки зрения физики это очень красивый сигнал, который зависит только от гравитации — в деталях все намного сложнее, но базовая физика здесь проста и прекрасна.
Полагаю, мы делимся на два лагеря: одни хотят обнаружить что-то новое, найти ошибки в эйнштейновской гравитации, а другие говорят: «Ну, прекрасно работать в такое время, когда вы доказываете, что имеющаяся теория верна, что наше понимание Вселенной верно». Пожалуй, я скорее склоняюсь в сторону второй позиции.
источник https://postnauka.ru/video/156220
