Что такое гравитационная линза и чем она отличается от оптической

С обычными линзами знаком любой человек в школе хоть иногда посещавший уроки физики. Да и выжигать на дереве с помощью стеклянных линз пробовали многие. Но оказывается линзы могут быть и совсем необычные — даже гравитационные.



Созданная в начале 20 века Альбертом Эйнштейном Общая Теория Относительности поначалу ввела научный мир в полный ступор - понять выкладки великого ученого было невероятно сложно. Чем больше физики пытались вникнуть в теорию Эйнштейна, тем более удивительная картина мира открывалась перед их глазами - эффекты замедления времени, возрастание массы, уменьшение линейных размеров тел.

Одним из следствий Общей Теории Относительности является искривление пути луча света вблизи крупных тяготеющих масс. Из курса школьной физики известно, что луч света движется по кратчайшему пути, а это прямая (на самом деле не совсем так - свет движется не по кратчайшему, а по экстремальному пути, в редчайших случаях свет выбирает максимально длинный путь). Но массивных объектов само пространство, если верить Эйнштейну, претерпевает искривление. Путь луча света в стекле линзы тоже искривлен.




Что такое гравитационная линза и чем она отличается от оптической

Если стеклянная линза может собирать лучи вследствие искривления их пути в одной точке, то почему лучи, проходящие сквозь искривленное пространство, также не могут собираться в одной точке?

Этим вопросом в начале 20-х годов прошлого века задался Оливер Лодж. Он пришел к выводу, что воздействие массивного тела (звезды, звездного скопления, галактики или скопления галактик) реально меняет видимый путь луча света от звезды или другого светящегося объекта. Он и ввел термин гравитационная линза. Правда ученый сразу же и оговорился, что Солнце и другие массивные объекты нельзя считать линзой в полном смысле этого слова, поскольку у них нет фокального расстояния.

Лучи различных объектов пересекаются на оси линзы, причем, чем дальше лучи проходят от центра масс гравитационной линзы, тем дальше на оптической оси они пересекаются. Оптическая линза собирает все лучи в одной точке независимо от их расстояния от оптической оси линзы.




В 1924 Орест Хвольсон, известный ученый из Санкт-Петербурга, эмигрировавший после революции в Германию, опубликовал в немецком научном журнале по астрономии свои размышления относительно гравитационных линз. По мнению специалиста, вполне реальной оказывается ситуация, что свет далекой звезды, проходя возле массивного объекта, после отклонения даст наблюдателю второе видимое изображение удаленного объекта. Однако в те времена разрешающей способности земных телескопов было недостаточно, чтобы различить 2 сливающихся объекта. Если наблюдатель, линза и объект излучения находятся на одной линии, то объект предстанет перед наблюдателем как светящееся кольцо вокруг линзы. В 1935 году похожие выкладки были обнародованы Альбертом Эйнштейном.

В 1937 году швейцарский астроном Фриц Цвиккисделал первый реальный, хотя пока и чисто теоретический, шаг к нахождению гравитационных линз. Швейцарец высчитал, что можно обнаружить удаленный объект находящийся за гравитационной линзой, правда такой линзой должна выступать галактика. Светимость ее на большом удалении от наблюдателя относительно невелика, а вот масса, необходимая для искривления лучей объекта, весьма велика. Позднее выяснилось - визуальное наблюдение эффекта гравитационного линзирования возможно при условии, что масса линзы не менее 1 000 000 000 000 (триллиона) масс Солнца.

В 1979 году группа английских астрономов под руководством Д. Уолша обнаружили необычный квазар QSO 0957+16 A,B. Суть необычности была в том, что, во-первых, объект был двойной, во-вторых, его компоненты имели минимальное расстояние, в-третьих, блеск составляющих квазар компонентов А и В менялся абсолютно синхронно. А еще и квазар А, и квазар В имели абсолютно идентичные спектральные линии.




После размышлений специалисты пришли к выводу, что перед ними на небе 2 независимых изображения одного-единственного объекта. Такое могло быть только в случае если лучи далекого квазара на пути к земному наблюдателю прошли возле гравитационной линзы, которая и создала двойное изображение квазара. Начались поиски линзы, и вскоре неизвестная ранее галактика была обнаружена. Она лежала точно на линии квазар-Земля. Расчеты Цвикки блестяще подтвердились.




На данный момент количество известных гравитационных линз измеряется десятками. Ученых особенно интересуют даже не изображения далеких звезд, чей свет проходит возле огромной тяготеющей массы, сколько возможность с помощью этого света изучать сами гравитационные линзы. В частности, точное определение массы галактики позволяет довольно точно определить соотношение явной и «скрытой» (происхождения неизвестного) масс крупных космических объектов.