Страница 6 из 22
Обнаружить эффект гравитационного линзирования во Вселенной астрономам помогли квазары — одни из самых далеких и ярких объектов Вселенной. Чем дальше находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения между ним и наблюдателем появится какая-нибудь галактика. В 1979 году группа астрономов из Англии и США получила спектры двух компонентов квазара QSO 0957+561, удаленного от нас более чем на 8 млрд. световых лет. Астрономы были поражены практически полной идентичностью их спектров и красного смещения. Вот только колебания яркости компонентов происходили не одновременно, а с разницей приблизительно в один год. Поэтому астрономы склонились к мнению, что два компонента квазара QSO 0957+561— это всего лишь кажущийся эффект. На самом же деле существует лишь один квазар, а его двойное изображение является результатом действия гравитационной линзы, находящейся между наблюдателем и квазаром. В результате длительных наблюдений была обнаружена эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии более 3 млн. световых лет от Земли, которая и разделила надвое своей гравитацией излучение квазара. Галактика-линза немного смещена в сторону от линии Земля-квазар, поэтому ход лучей в системе несимметричен: фотоны, огибающие галактику с одной стороны, должны преодолевать гораздо большее расстояние, чем фотоны, огибающие ее с другой, потому-то и прибывают они к наблюдателю с опозданием в год.
Конечно, гравитационная линза — «плохая» линза в том смысле, что у нее нет хорошего фокуса, где можно получить неискаженное изображение. Ведь структура изображений зависит от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя, а также массы и формы линзы. Наиболее экстремальное искажение света имеет место тогда, когда линза очень массивна и линзируемый источник достаточно близок к ней. В конце 80-х годов прошлого столетия стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что слабые голубые галактики, находящиеся за линзирующим скоплением, имеют вытянутые дугообразные формы. Классический пример такой картины — снимок скопления галактик Абелл 2218, полученный космическим телескопом «Хаббл».
В простейшем случае, когда размеры источника и линзы невелики, изображение источника «размножается» на два и более компонентов. Примером тому может служить знаменитый квазар «крест Эйнштейна», расстояние до которого оценивается в более чем 8 млрд. световых лет. Изображение самого квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними — линзирующая галактика, расположеная примерно в 20 раз ближе квазара. В общем случае расстояния, которые проходит свет, создающий разные изображения одного и того же объекта до наблюдателя, неодинаковы.
Часто линзу не удается обнаружить оптическими наблюдениями и искажение изображения далекого исследуемого источника излучения является единственным свидетельством того, что на луче зрения между ним и наблюдателем присутствует большое скопление вещества. Так, фотографии квазара MG2016+122 из созвездия Дельфина говорят о том, что свет от него преломляется мощной гравитационной линзой, однако наблюдения на самых мощных оптических телескопах не смогли обнаружить ничего, что могло бы вызывать отклонения света квазара! Изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить ее влияние на изображение квазара. Слабое изображение галактики часто тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они — суперслабые).
Гравитационные линзы могут пролить свет на самые «темные» тайны Вселенной. В конце 1997 года астроном М. Хокинс заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое предположение он основывает на том, что при изучении восьми пар изображений гравитационно линзированных квазаров ему только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных же шести пар оптических следов гравитационной линзы-галактики обнаружено не было. А судя по искажению изображений, эти линзы по массе не уступают нашей Галактике. Поэтому Хокинс и его коллеги считают, что им удалось открыть «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Если это действительно так, то открытие поможет решить загадку скрытой массы.
Скрытой массой (или, иначе, темной материей) называют вещество неизвестной природы, которое взаимодействует с обычным (видимым) веществом практически только посредством сил гравитации. Звезды как в нашей, как и в других спиральных галактиках вращаются так, словно большая часть массы этих систем сосредоточена не в диске, а в обширном несветящемся гало, протяженность которого, по некоторым данным, может превышать размеры диска в десятки раз. Одно из объяснений этого парадокса заключается в том, что гало типичной дисковой галактики заполнено объектами, названными МАСНО (Massive Astrophysical Compact Halo Objects — массивные астрофизические компактные галообъекты). К ним относятся слабосветящиеся звезды, или коричневые карлики (с массой, меньшей чем 0,08 массы Солнца, в недрах которых никогда не происходят термоядерные реакции), белые карлики — планеты с массами до одной тысячной массы Солнца, нейтронные звезды в неактивной стадии и черные дыры.
Согласно оценке Богдана Пачинского число темных тел в гало Галактики должно быть весьма велико, так что вероятность того, что звезда одной из ближайших галактик почти точно спроектируется на темное тело, составляет порядка одной миллионной. И хотя эта вероятность чрезвычайно мала, наблюдая одновременно миллионы звезд в небольшой компактной области неба с помощью панорамных приемников излучения, можно надеяться на достаточно частую регистрацию вспышек звезд, вызванных эффектом микролинзирования. А по длительности и частоте подобных событий можно судить о вкладе темных тел гало Галактики в полную массу невидимого вещества. Это, конечно, очень важный вывод: если MACHO-объекты существуют, микролинзирование является подходящим методом для обнаружения темной материи, за которой астрономы охотятся в последние десятилетия.
Большие и Малые Магеллановы Облака — самые ближайшие наши соседи и самые яркие галактики на небе. Они выглядят как два туманных облачка, хотя эти облачка содержат миллиарды звезд и поэтому являются потенциальными целями для микролинзирования. Если бы между нами и Магеллановыми Облаками не было никаких тел, способных создавать эффект гравитационной микролинзы, то, наблюдая за звездами, мы получали бы информацию об их собственной переменности блеска. Но если между нами и звездами этих галактик время от времени пролетают неизлучающие или слабосветящиеся массивные тела (например, старые холодные белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или планеты типа Юпитера), то появляется вероятность того, что при достаточно долгом времени наблюдения такое темное тело «пролетит» настолько близко к лучу от одной из звезд Магеллановых Облаков, что блеск последней сначала резко увеличится, а затем уменьшится абсолютно симметрично за время такого близкого пролета. Очевидно, чем плотнее звездное поле, тем дольше можно следить
за каждой из звезд и тем больше шансов обнаружить темные тела. Звезды Больших и Малых Магеллановых Облаков могут быть линзированы главным образом объектами Галактического гало. Другой потенциальной целью для микролинзирования является Галактический балдж — большое скопление звезд в окрестности галактического центра. В этом случае можно ожидать эффектов микролинзирования очень малыми объектами массой около одной миллионной массы Солнца.
Группа американских и австралийских ученых, назвавшая свой эксперимент МАСНО, проводила наблюдения на обсерватории Mount Stromlo в Австралии, вблизи Канберры, с использованием телескопа, в фокусе которого установлен панорамный фотоэлектрический приемник, позволяющий одновременно регистрировать и анализировать с помощью компьютера блеск около миллиона звезд. Помимо этого, группа МАСНО наблюдала также звезды в направлении на центр Галактики и Большого Магелланова Облака. Члены группы, следившие за блеском более 10 млн. звезд, зафиксировали два десятка открытых ими событий микролинзирования. Причем обычные звезды Галактики за все время наблюдений могли бы дать одно, максимум два события, а потому учеными был сделан вывод, что линзы находятся в гало Галактики. Продолжительность же уярчения фоновой звезды позволила оценить массу микролинз, которая составляла примерно 0,5 массы Солнца. Удалось также в процессе наблюдения отождествить источник одного из событий микролинзирования со слабой звездой, но не из гало Галактики, а из дискового населения.