Книга: Суперобъекты. Звезды размером с город

Гравитационное линзирование

Гравитационное линзирование

Есть один очень интересный способ открыть объект, даже если он совсем не виден (это, кстати, один из методов изучения темного вещества). У любого тела есть по крайней мере одно свойство, которое никуда не денется, – его масса. Из чего бы ни состоял объект – из железа или водорода, кварковой материи или темного вещества, у него есть масса. Это особенно ярко проявляется, если предмет нашего рассмотрения – черная дыра. Она обладает замечательной особенностью – что бы вы туда ни кидали, получается примерно то же самое. Вы можете сделать черную дыру из темной материи или из совершенно каких-то удивительных частиц – и у нее все равно будет какая-то масса. Так вот, массивный объект всегда искажает пространство вокруг себя. И этот эффект – эффект искажения пространства – можно обнаружить.

Как и почему? Первая идея легко понятна. Если бы мы могли летать туда-сюда на межзвездных масштабах, то мы бы просто чувствовали, что нас куда-то тянет. Вроде бы там ничего не видно (черную дыру действительно почти не видно, особенно издалека), но мы начинаем чувствовать притяжение. Почему? Потому что пространство исказилось и мы как бы катимся в эту яму. Катимся не только мы, катится все, что движется через эту область пространства, в том числе и свет. На этом основан замечательный эффект гравитационного линзирования.

Схема гравитационного линзирования. Массивное тело между источником и наблюдателем, во-первых, смещает изображение источника, а во-вторых, работая как собирающая линза, усиливает его.

Эффект был предсказан фактически сразу после создания Общей теории относительности. Точнее говоря, то, что эффект отклонения световых лучей вблизи массивных тел должен иметь место, ученые догадывались и раньше, но Общая теория относительности дала точные численные предсказания и совершенно иную, более правильную интерпретацию. Во время солнечного затмения в 1919 году впервые удалось проверить теоретическое предсказание. Для этого потребовалось, во-первых, измерить положение звезд на небе, когда свет свободно идет к нам. Затем – измерить их, когда на пути стоит какой-то массивный объект. А после сравнить результаты каждого измерения. Согласно предсказаниям Общей теории относительности, положения изображений звезд должны сдвинуться на определенную величину, определяющуюся массой объекта и угловым расстоянием звезд от него.

Для первого измерения можно воспользоваться любой ясной ночью или просто взять хорошие карты или каталог. Но как измерить положения звезд, когда свет от них проходит мимо массивного тела? Например, можно воспользоваться ситуацией, когда звезды оказываются рядом с солнечным диском. Днем, естественно, звезды увидеть трудно, но если у нас происходит солнечное затмение, то тогда мы можем наблюдать звезды очень близко от солнечного диска. Ученые именно так и поступили, и предсказание Общей теории относительности очень хорошо совпало с данными наблюдений. Тогда же специалисты подумали о том, что этот эффект можно наблюдать, если между нами и какой-то далекой звездой пролетает другая звезда. Позже гравитационное линзирование на объектах звездных масс получило название микролинзирования.

Как мы можем увидеть событие микролинзирования? Одну из первых статей по феномену линзирования опубликовал в 1924 году российский ученый Орест Хвольсон. Наблюдаемых эффектов здесь два. Первый мы уже назвали – видимое положение звезды на небе немного меняется. Второй эффект наблюдать даже проще. Звезда, которую мы наблюдаем, становится ярче, потому что гравитационная линза работает как собирающая линза. Свет звезды концентрируется и попадает к нам в телескоп. То есть когда мы измеряем блеск звезды, то видим, что в момент, когда между нами и звездой пролетает объект, являющийся гравлинзой, интенсивность излучения растет, а потом, когда линза улетает, она становится прежней.

Вроде бы все просто, но насколько вероятно такое событие? Первые оценки сделал сам Эйнштейн. Еще в 1912–1915 годах, задолго до своей знаменитой статьи 1936 года, посвященной гравитационному линзированию, он провел все основные вычисления, которые были позже обнаружены в его черновых записях[15]. Он рассмотрел вопрос о том, нельзя ли линзированием объяснить феномен новых звезд (сейчас мы знаем, что это двойные системы, где происходит термоядерная вспышка в веществе, накопленном на поверхности белого карлика). Оказалось, что линзирование тут ни при чем. Кроме того, что кривые блеска отличаются по форме (при линзировании кривая должна быть симметричной, причем во всех цветах, а у новых кривые асимметричны), новые вспыхивают слишком часто, чтобы линзирование позволило их объяснить. Чтобы увидеть в течение года одно событие микролинзирования, нужно наблюдать за миллионами звезд! Эта задача технически была невыполнима более полувека с момента предсказания, пока наблюдали с помощью фотопластинок (или даже визуально), но потом появились ПЗС-матрицы. Большой вклад в развитие метода микролинзирования был сделан Богданом Пачинским в 80-е годы ХХ века. Именно он обратил внимание на перспективы использования ПЗС-матриц для наблюдений этого явления. Он же впервые использовал слово «микролинзирование».

Современная ПЗС-матрица характеризуется мегапикселями, т. е. миллионами элементов, которые получают изображение, а значит, если у вас есть поле, заполненное звездами, вы можете на одном снимке следить за блеском сразу миллионов звезд – очень удобно. И как только это стало технически возможно, люди стали искать эффект гравитационного микролинзирования и довольно быстро его обнаружили.

Линзирование позволяет определить массу объекта, который выполняет роль линзы. Оказалось, что в некоторых случаях масса объекта большая: скажем, 10 масс Солнца или 6–7 масс Солнца. Если бы это была обычная звезда, то при массе 8–10 солнечных она была бы очень яркой, т. е. ее было бы хорошо видно. А наблюдения показывали, что объект абсолютно темный. Единственный темный компактный объект из тех, что мы знаем, который может иметь такую массу и летать где-то поблизости в нашей Галактике, – это черная дыра.

Сейчас есть несколько очень хороших кандидатов в одиночные черные дыры (в сентябре 2015 года ученые добавили несколько новых кандидатов, обработав данные проекта OGLE), которые были открыты с помощью микролинзирования. Недостаток у них один: линзирование – разовый феномен, черная дыра прошла между нами и какой-то далекой звездой и улетела. Мы не можем ее наблюдать ни до линзирования, ни после линзирования – мы видим только сам эффект. Так что надежно подтвердить, что за событие ответственна именно черная дыра, мы, к сожалению, не можем. Поэтому, с одной стороны, мы знаем, что есть хорошие кандидаты в черные дыры в двойных системах, с другой стороны, надежных кандидатов в одиночные черные дыры или старые нейтронные звезды пока нет, и это остается задачей на будущее.

Астрометрический спутник GAIA. Его задачей будет точное измерение положений множества звезд. Измерение годичных параллаксов на основе этих измерений позволит построить трехмерную карту нашей Галактики. Кроме этого, как ожидают, спутник откроет множество экзопланет.

Сейчас есть надежда, что спутник GAIA сможет обнаружить нейтронные звезды и черные дыры за счет эффекта микролинзирования. Этот спутник предназначен для очень точного измерения положения звезд. Это позволит построить трехмерную карту их распределения вплоть до центра Галактики. При микролинзирование меняется не только блеск звезды, но и ее видимое положение. GAIA сможет заметить это, в том числе в тех случаях, когда линзой является нейтронная звезда или черная дыра. Это будет новым способом наблюдать эти интереснейшие компактные объекты, а вдобавок мы сможем измерять их массы.