Книга: Мир математики. т.30. Музыка сфер. Астрономия и математика

Гравитационные линзы: не затемняют, а увеличивают

В действительности Эйнштейн предсказал существование гравитационных линз, то есть явления, при котором звезда, расположенная ближе к нам, способна увеличивать изображение более далекой звезды. Однако сам ученый не верил, что гравитационные линзы когда-либо можно будет увидеть, и счел эту гипотезу слишком маловероятной. Современные астрономы с помощью гравитационных линз наблюдают за далекими уголками Вселенной. Сам космос дает им в руки мощнейшие телескопы, которые позволяют заглянуть очень далеко в пространство и время. Изучение гравитационных линз все еще можно считать относительно молодым разделом астрономии.

Свет всегда распространяется по кратчайшему пути, однако в присутствии больших масс пространство искривляется, и этим кратчайшим путем становится кривая.

Понять это явление не так сложно, достаточно провести параллель с поверхностью земного шара, где кратчайшим путем между двумя точками обязательно будет отрезок кривой.

В общем случае гравитационные линзы можно представить как обычные линзы с тем отличием, что отклонение света вызвано их массой, а не преломлением лучей. Обычная выпуклая линза имеет четко определенный фокус, а гравитационная линза фокусирует свет не в точке, а в некоторой области.

* * *

* * *

Гравитационные линзы, по сути, искривляют лучи света. В результате нам кажется, что небесные тела находятся в другом месте и имеют больший размер, чем на самом деле. Так как гравитационные линзы не фокусируют лучи в одной точке, наблюдаемые небесные тела искажаются.

В результате отклонения лучей света может показаться, что звезда, галактика или квазар располагаются вовсе не там, где они находятся на самом деле. Также гравитационная линза может изменять размеры объектов. Некоторые наблюдатели отмечают увеличение реальных объектов более чем в 100 раз.

Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект может отображаться в них несколько раз, что можно видеть на иллюстрации на следующей странице. Хорошо известны множественные изображения квазаров, имеющие форму так называемого креста Эйнштейна.

Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект в них может отображаться несколько раз. На фото выше изображен кратный квазар, известный как крест Эйнштейна.

* * *

* * *

Как заглянуть вперед в пространство и время

В астрономии, помимо парсеков и астрономических единиц, также используются световые года. Понять смысл этой единицы измерения очень просто, поэтому она крайне полезна в научно-популярных целях. Кроме того, она отражает удивительный факт: глядя на звездное небо, мы видим множество небесных тел такими, как они выглядели когда-то в прошлом. Кроме того, мы видим астрономические объекты из разных эпох.

Как известно, скорость света равняется с = 300000 км/с. Следовательно, одна световая секунда равна 300000 км. К примеру, свет Луны, отстоящей от Земли на 384000 км, достигает Земли за 384000/300000 = 1,28 секунды. Расстояние от Солнца до Земли луч света преодолевает за 8,3 минуты.

Из Южного полушария можно видеть звезду Проксима Центавра (в Северном полушарии она не видна) — ближайшую к нам звезду, расположенную на расстоянии 4,3 светового года. Сириус, ярчайшая звезда из тех, что можно наблюдать на большей части Северного полушария, находится на расстоянии 8,6 светового года от Земли. В обоих случаях очевидно, что свет, который мы видим, преодолел расстояние до Земли за несколько лет или даже больше.

Туманность Ориона, называемая прекраснейшей, — это звездная колыбель, в которой в настоящее время зарождается примерно 700 звезд. Расположена она в 1500 световых годах от нас. Иными словами, такой, какой мы ее видим сегодня, эта туманность была во времена падения Римской империи (476 год н. э.), когда от престола отрекся император Ромул Август.

Если говорить о галактиках, то с увеличением расстояний все становится еще интереснее. Рассмотрим, например, галактику Андромеды, которую можно увидеть невооруженным глазом, так как она расположена не слишком далеко от Земли. Это спиральная галактика, напоминающая Млечный Путь, поэтому при взгляде на нее можно представить, что мы видим нашу галактику издалека. Галактика Андромеды удалена от нас на расстояние 700 килопарсек, то есть более 2 млн световых лет. Таким образом, сейчас мы видим эту галактику такой, какой она выглядела, когда по Земле шагали первые гоминиды.

Туманность Ориона на фотографии, сделанной космическим телескопом «Хаббл» (слева), и галактика Андромеды.

Возможно, сейчас она выглядит совершенно иначе. К примеру, сверхновая звезда SN 1987А, вспышка которой наблюдалась в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, годом ранее не была видна с Земли, однако к тому моменту вспышка уже произошла — чтобы свет от нее достиг Земли, потребовалось 168 тысяч лет, поскольку эта звезда находится на расстоянии 51,4 килопарсека от Земли. Гравитационные линзы позволяют увидеть очень и очень далекие объекты, то есть объекты, удаленные на очень много световых лет. Иными словами, гравитационные линзы помогают заглянуть еще дальше в прошлое.

Сверхновая SN1987А в Большом Магеллановом Облаке во время вспышки и четырьмя годами позже, когда все еще наблюдалось ее световое эхо.