Свет иных миров: как превратить темную материю, галактики, черные дыры и даже Солнце в линзы супертелескопа

Гравитационное линзирование, то есть эффект огибания светом массивных космических тел, пытались описать еще в начале XIX века в рамках классической ньютоновской механики. И вот недавно, спустя почти 220 лет, дуэт астрофизиков из Стэнфордского университета (США) разработал технологию использования гравитации Солнца в качестве линзы, позволяющей получить детализированные изображения экзопланет в других звездных системах на расстояниях в десятки и сотни световых лет. Naked Science объясняет, что скрывается под термином «гравитационное линзирование», что об этом эффекте известно астрономам и как такое знание можно использовать на практике для изучения самых дальних уголков Вселенной.

Гравитационное линзирование — явление, при котором фотоны света отклоняются от своего движения по прямой при прохождении рядом с массивным космическим телом. Телом здесь может быть что угодно — от звезд и планет до черных дыр, галактик и их скоплений. Разница будет лишь в силе проявления эффекта.

Не Эйнштейном единым

Первые попытки предсказать и математически описать явление предпринял Иоганн Зольднер (Johann Soldner) в 1801 году. Хотя за сотню лет до него сам Исаак Ньютон (Isaac Newton) в трактате «Оптика» упоминал о чем-то подобном.

В частности, в конце третьей книги Ньютон сформулировал ряд занимавших его вопросов, ответы на которые он сам, видимо, не рассчитывал найти в ближайшее время, оставив это дело коллегам или потомкам. Первый же вопрос в списке можно перевести так: не воздействуют ли тела на свет на расстоянии, своим действием искривляя его лучи, и не является ли это действие (caeteris paribus) сильнейшим на наименьшем расстоянии? Довольно точное, кстати, описание явления гравитационного линзирования.

Зольднер как истинный последователь продвигаемой Ньютоном корпускулярной теории света исходил из того, что свет состоит из частиц (корпускул), обладающих массой. В таком случае, проходя мимо массивных космических тел, корпускулы света будут притягиваться к этому телу, а их траектория — отклоняться от прямой. Прямо как метеориты, которые, пролетая рядом с Землей, испытывают притяжение планеты и могут упасть на ее поверхность, если подойдут достаточно близко и их скорость будет невысока.

Величину этого отклонения света вблизи массивных тел Зольднер и вычислял. На удивление результат, полученный им в рамках ньютоновской физики, несмотря на неверные предпосылки (массивность частиц света), был очень близок к верному ответу — различие оказалось всего в два раза. Это заметил сам Альберт Эйнштейн (Albert Einstein), который сначала повторно вычислил величину теоретического отклонения света в рамках классической физики (видимо, он не знал о работах Зольднера), а потом согласно своей Общей теории относительности (ОТО).

Дело не только в цифрах

Многие читатели зададутся резонным вопросом: мы, мол, знаем, что согласно общепринятой в физике элементарных частиц Стандартной модели фотоны света — безмассовые частицы, как же тогда на них может влиять гравитация? А в том-то и дело, что никак.

Согласно ОТО, фотоны света вообще не замечают гравитацию и все еще продолжают двигаться по прямой траектории. Вот только эта прямая становится «кривой» вблизи массивных космических тел. Точнее, эти тела искривляют само пространство — время, из-за чего прямолинейное движение света для наблюдателя с Земли преломляется, почти как в линзах очков.

Однако следует понимать большую разницу между линзами гравитационными и оптическими. К обычным линзам применимо понятие фокуса — точки, в которой сходятся (фокусируются) параллельные лучи света после прохождения оптической системы, будь то линзы очков или наши глаза. Для гравитационной же линзы это понятие неприменимо, ведь гравитация отклоняет фотоны света тем сильнее, чем ближе они проходят к центру массивного тела. А это значит, что у гравитационных линз вместо фокальной точки — целая линия.

Таким образом, наблюдатель, находясь на одной прямой с наблюдаемым объектом и массивным линзирующим телом перед ним, будет находиться и на фокальной линии. В таком положении наблюдаемый объект для него будет выглядеть как кольцо (обычно называемое кольцом Эйнштейна — Хвольсона) вокруг массивного линзирующего тела, форма которого задает форму этого кольца.

Если наблюдатель сместится с фокальной линии, он увидит либо сегмент дуги, либо смещенное изображение. А если линзирующее тело — галактика или скопление галактик без круговой симметрии, то вместо обычного кольца Эйнштейна — Хвольсона может наблюдаться лишь небольшая дуга или другое красочное событие — крест Эйнштейна, учетверенное изображение удаленного объекта.

Доверяй, но проверяй

Почему сейчас астрофизики так уверены, что объяснение, данное ОТО, истинное? Все просто: теоретические расчеты и предсказания, сделанные в рамках ОТО, хорошо совпадают с наблюдательными данными и не раз подвергались проверке.

Спустя всего четыре года после представления Эйнштейном своей ОТО, в мае 1919-го, два английских астронома сэр Артур Эддингтон (Arthur Eddington) и сэр Фрэнк Дайсон (Frank Dyson) организовали две экспедиции в Бразилию и Западную Африку. Там они решили впервые проверить расчеты Эйнштейна и предсказания его теории, пронаблюдав отклонение света звезд, проявляющееся в отклонении их положения на небе, вблизи поверхности Солнца во время затмения. Результаты наблюдений, полностью согласующиеся с ОТО, впечатлили Лондонское королевское общество и сделали Эйнштейна и его теорию всемирно известными.

С тех пор в подтверждение теории ученые провели множество наблюдений как наземными, так и космическими телескопами. Более чем за сотню лет поисков чего только астрономы не находили: и кольца Эйнштейна — Хвольсона, и кресты Эйнштейна, и космические подковы, и даже космические смайлики.

Однако, помимо съемок просто красивых (и порой забавных) фотографий, наблюдения помогли, например, обнаружить десятки экзопланет через эффект микролинзирования — довольно краткосрочного и периодического явления увеличения количества света, приходящего от родительской звезды при прохождении планеты между звездой и наблюдателем. Также с помощью гравитационных линз, образованных скоплениями галактик, удалось наблюдать самые первые галактики в еще молодой Вселенной — одна из них (SPT0615-JD) существовала, когда Вселенной было «всего лишь» 500 миллионов лет.

А порой гравитационное линзирование творит поистине удивительные вещи. Хорошо известна история сверхновой Рефсдала, наблюдение которой астрономы смогли провести дважды, причем второй раз — по предсказанию модели, описывающей гравитационное линзирование скопления галактик. Из-за разницы в длине путей, по которым фотоны света от сверхновой проходили через скопление галактик, изображение сверхновой в виде креста Эйнштейна появилось сначала в ноябре 2014 года, а затем в декабре 2015-го — точно в соответствии с моделью.

Солнечный объектив для фотосъемки экзопланет

С момента обнаружения первой планеты в другой звездной системе прошло около 30 лет. С тех пор астрономы, используя в основном транзитный и доплеровский методы наблюдения, а также уже упомянутое микролинзирование, открыли более 5000 экзопланет. Все три метода заключаются в наблюдении за изменениями характеристик света далекой родительской звезды и лишь изредка планету удается наблюдать напрямую (на сегодня — всего в 59 случаях для планет, которые во много раз массивнее Юпитера).

Таким образом астрономам удается получить сильно ограниченную информацию об экзопланетах: период обращения вокруг звезды, яркость, примерные массу и плотность. Однако детали поверхности и атмосферы экзопланет, находящихся в десятках и сотнях световых лет от Земли, наблюдать напрямую, казалось бы, невозможно. Тем не менее обойти физические ограничения современных и ряда будущих телескопов попытались — пока только теоретически — астрофизики из Стэнфордского университета (США).

Они работают над новым концептуальным методом визуализации, который в перспективе должен стать в 1000 раз точнее самой мощной технологии, используемой сегодня. Технология предусматривает использование эффекта гравитационного линзирования, создаваемого Солнцем, для наблюдения за планетами, находящимися далеко за пределами нашей системы.

Расположив телескоп на одной линии со светилом и наблюдаемой экзопланетой (то есть на фокальной линии), ученые могли бы использовать гравитационное поле Солнца для усиления и фокусировки света от экзопланеты. Подробное описание технологии ее авторы изложили в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.

«Мы хотим делать снимки планет, обращающихся вокруг других звезд, не хуже, чем снимки планет нашей Солнечной системы, — пояснил соавтор исследования Брюс Макинтош (Bruce Macintosh), профессор физики в Школе гуманитарных и естественных наук в Стэнфорде и заместитель директора Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC). — С помощью этой технологии мы надеемся сделать снимок планеты на расстоянии 100 световых лет, который вызовет такой же восторг в мире, как когда-то снимок Земли, сделанный «Аполлоном-8».

Все новое — хорошо забытое старое

Как признают сами авторы, эта идея не совсем нова и отчасти заимствована из аналогичных концепций, в которых, например, предлагалосьиспользовать солнечную гравитационную линзу для связи космических аппаратов на межзвездных расстояниях. Ведь будь то радиоволны или излучение лазера, используемые для связи внутри Солнечной системы, по сути, это те же фотоны, которые можно сфокусировать гравитационной линзой. И даже не придется строить для этого никаких новых сверхтехнологичных устройств.

Опираясь на результаты предыдущих работ, дуэт астрофизиков предложил свою технологию, которая потенциально способна реконструировать поверхность далекой экзопланеты лишь по одному снимку солнечного кольца Эйнштейна — Хвольсона. Захватывая кольцевое изображение экзопланеты, образованное вокруг Солнца, алгоритм, разработанный аспирантом KIPAC и ведущим автором исследования Александром Мадуровичем (Alexander Madurowicz), может восстановить картину, созданную гравитационной линзой, обратно в изображение планеты.

Авторы продемонстрировали работу алгоритма, взяв фотографии Земли из космоса, «зашифровав» их в кольцо Эйнштейна — Хвольсона (будто это свет от экзопланеты в шести сотнях парсек от нас) и проведя реконструкцию с помощью алгоритма. Конечно, полученные изображения не обладают высокой степенью детализации и содержат артефакты, но океаны, континенты и облака хорошо различимы: Земля узнается с первого взгляда. Представьте, если земляне получат изображение того же качества, но уже действительно далекой экзопланеты.

Вот только чтобы получить такой же реальный снимок кольца Эйнштейна — Хвольсона, из которого можно будет восстановить достаточно детализированное изображение экзопланеты, телескоп должен быть расположен в точке, находящейся примерно в 600-650 раз дальше от Солнца, чем Земля. Это примерно в 15 раз дальше от светила, чем Плутон, за краем нашей Солнечной системы.

Это место даже дальше от нас (раза в четыре), чем космический зонд «Вояджер-1» — самый удаленный на сегодня от Земли космический аппарат из всех когда-либо запущенных человечеством в космос. А ведь он летит уже без малого 45 лет. И все равно это расстояние составляет лишь ничтожную долю по сравнению с десятками и сотнями световых лет между Солнцем и ближайшими открытыми экзопланетами.

И все же оно нам нужно

Сейчас, чтобы получить изображение экзопланеты с разрешением, которое описывают в своей работе ученые, нам понадобился бы телескоп размером раз в 20 больше диаметра Земли. Используя гравитацию Солнца как массивную естественную линзу, можно значительно упростить конструкцию самого телескопа. Так, телескопа размером с «Хаббл» в сочетании с солнечной гравитационной линзой было бы достаточно, чтобы получать изображения экзопланет с хорошим разрешением мелких деталей на их поверхности.

«Солнечная гравитационная линза открывает совершенно новые возможности для наблюдения, — объясняет Мадурович. — Это позволит исследовать подробную динамику атмосфер планет, а также распределение облаков и особенностей поверхности, возможности исследовать которые у нас сейчас нет».

Дуэт авторов уверен, что пройдет не менее 50 лет, прежде чем эта технология сможет быть развернута, а возможно, и куда больше. Чтобы выполнить проект в приемлемые сроки, понадобится быстрый космический аппарат (не чета сегодняшним), поскольку с современными технологиями путешествие к месту, где необходимо расположить телескоп, может занять сотню и более лет. Используя солнечные паруса или наше светило в качестве гравитационной рогатки (можно разогнать аппарат с помощью гравитационного маневра вокруг Солнца), получится сократить время для реализации этого проекта до более приемлемых 20 или 40 лет.

«Это один из последних шагов в выяснении того, есть ли жизнь на других планетах»

По словам Макинтоша, хотя пока со временем нет никакой ясности, ими движет сильное желание увидеть, есть ли у некоторых экзопланет континенты, океаны или облака. Наличие любого из этих параметров может стать одним из признаков наличия жизни на далекой планете.

«Сфотографировав другую планету, вы могли бы посмотреть на нее и, возможно, увидеть зеленые участки, то есть леса, и голубые пятна — океаны. И тогда было бы трудно утверждать, что на ней нет жизни», — подытожил Макинтош.