Гравитационные линзы

Гравитационными линзами называют объекты, которые своим полем тяготения заметно искривляют световые лучи, проходящие вблизи или сквозь них. Из-за этого изображение удалённого источника (звезды, галактики, квазара), свет которого проходит вблизи такого объекта, искажается или даже представляется в виде нескольких отдельных изображений.

В принципе любое тело способно «собирать» своим гравитационным полем параллельные лучи света в некотором фокусе подобно оптическим линзам (хотя, в отличие от обычной линзы, расстояние до такого фокуса будет очень большим и к тому же различным для лучей, проходящих на разном расстоянии от «линзы»). Но только астрономические объекты огромной массы типа звёзд, галактик или их скоплений могут создавать заметный эффект.

Дело в том, что порция светя — фотон формально может рассматриваться как частица, обладающая массой. Поэтому вблизи притягивающего тела траектория фотона должна отклоняться от прямой линии (даже в рамках ньютоновской физики). Этот эффект впервые был обнаружен английским астрофизиком Артуром Эддингтоном в 1919 г. по наблюдениям полного солнечного затмения: звёзды, которые были заметны вблизи края солнечного диска, оказались дальше от него, чем должны были быть, если бы свет от них распространялся по прямой. Угол, на который фотоны отклонялись в поле тяготения Солнца, в точности соответствовал предсказаниям теории относительности Эйнштейна — вдвое больше, чем по ньютоновской теории.

Сейчас известно множество надёжно установленных гравитационных линз. В основном наблюдаются квазары (особо мощные и сильно удалённые от нас активные ядра галактик), изображения которых «размножены» попадающими на луч зрения близкими галактиками. Почему квазары? Это одни из самых далёких и ярких объектов во Вселенной, а значит, наблюдать явление гравитационной линзы для них намного проще. Ведь чем дальше от нас находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения попадётся какая-нибудь галактика.

В конце 1980-х гг. стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что изображения слабых голубых галактик, находящихся за линзирующим скоплением, имеют вытянутую дугообразную форму.

Если сквозь скопление видно много далёких галактик, то удаётся обнаружить эффект слабого гравитационного линзирования, который проявляется лишь в небольшом искажении формы галактик (изображения немного вытягиваются, и это можно обнаружить, измеряя степень и направление их вытянутости и усредняя по большому числу объектов). По этому эффекту удаётся измерить распределение плотности вещества внутри скопления.

Новейшие проекты — «Радиоастрон» и «Миллиметрон»

Два проекта исследования космоса осуществляются в наши дни при ведущем участии российских ученых и крупнейших космических предприятий России. Один из них называется «Радиоастрон». Этот международный космический проект создан для проведения фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра с помощью космического радиотелескопа, смонтированного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Координатор проекта — Астрокосмический центр ФИАН под руководством академика Николая Семёновича Кардашева. Основу проекта составляет наземно-космический радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, состоящий из сети наземных радиотелескопов и космического радиотелескопа, установленного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Создатель аппарата «Спектр-Р» — НПО им. С.А.Лавочкина.

Запуск аппарата произведён 18 июля 2011 года с космодрома Байконур. Космический радиотелескоп с приёмной параболической антенной диаметром 10 метров выведен на высокоапогейную орбиту спутника Земли высотой до 350 тыс. км в составе космического аппарата «Спектр-Р». Он является крупнейшим в мире космическим телескопом, что было отмечено в книге рекордов Гиннеса.

Главная научная цель миссии — исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. Разрешение, достигнутое с помощью проекта «Радиоастрон», позволяет изучать:

— релятивистские струи, а также непосредственные окрестности сверхмассивных чёрных дыр в активных галактиках,

— строение и динамику областей звездообразования в нашей Галактике по их лазерному излучению,

— нейтронные звёзды и чёрные дыры в нашей Галактике,

— структуру и распределение межзвёздной и межпланетной плазмы по расщеплению и флуктуациям изображений пульсаров,

— эффекты общей теории относительности в гравитационном поле Земли.

В связи с программой предполагается широкий спектр исследований фундаментального характера. «Радиоастрон» может быть также использован для высокоточного отслеживания перемещения в пространстве наиболее далеких потенциально опасных объектов (астероидов и комет). Для этого желательно разместить на этих объектах радиомаяки.

«Миллиметрон» (Спектр-М) — космическая обсерватория миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн с криогенным телескопом диаметром 10 м. Запуск планируется после 2019 года. Разработчик проекта — Астрокосмический центр ФИАН.

«Миллиметрон» предназначен для проведения высокоточных исследований космических объектов в дальнем инфракрасном, субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах спектра электромагнитного излучения. Также как и «Радиоастрон», «Миллиметрон» сможет работать как в режиме одиночного телескопа, так и в составе интерферометра с базами «Земля-Космос» (с наземными телескопами).

По мнению ведущего автора проекта — академика Н.С. Кардашева, именно возможность приема информации в названном интервале длин волн позволит использовать обсерваторию «Миллиметрон» и в интересах космической защиты Земли.

Таким образом, эти проекты в ближайшем будущем смогут внести вклад и в разрешение фундаментальных проблем астрономии и космологии, и в космическую защиту нашей планеты.

Находясь в космосе уже несколько лет, «Радиоастрон» собрал большой объем данных, которые сейчас активно изучаются астрономами и астрофизиками России и всего мира. На основе этих данных уже выпускаются и ещё будут выходить в свет многочисленные публикации в мировых научных изданиях. Этот космический аппарат примечателен ещё и тем, что к моменту старта был первым астрофизическим инструментом, выведенным Россией в космос за долгое время, возобновив лидерство нашей страны в этой области