На снимке месяца, представленном Европейским космическим агентством, запечатлены восемь красочных примеров гравитационного линзирования. Этот эффект, приводящий к искажению изображения, был предсказан более ста лет назад Альбертом Эйнштейном. В рамках нового исследования ученые определили, какие кольца Эйнштейна еще предстоит обнаружить орбитальному телескопу.
Искривление пространства-времени массивными объектами приводит к искажению пути света, исходящего от удаленных космических структур. Степень этого эффекта, известного как гравитационное линзирование, напрямую зависит от массы объекта – чем она больше, тем сильнее искривление. Небольшое искажение «изображения» удаленной структуры характеризуется как слабый эффект. Фактически, небольшое искривление присутствует повсеместно в космосе. Если же «изображение» многократно воспроизводится или вытягивается в протяженную дугу, эффект признается сильным. Иногда дуга может замкнуться, формируя так называемое кольцо Эйнштейна. Это возможно, когда искаженная удаленная структура, объект-линза и наблюдатель располагаются на одной линии.
По сути, космические гравитационные линзы представляют собой бесплатный телескоп для наблюдения за самыми глубинами космоса. Минус в том, что мы не можем сдвинуть эту линзу и настроить фокусное расстояние, то есть расстояние, на котором лучи, проходящие через линзу, сойдутся. Так, например, Солнце можно использовать как гравитационную линзу, но для этого нужно удалиться на расстояние как минимум 550 астрономических единиц (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до светила). Эта точка расположена где-то на полпути между «Вояджерами» и облаком Оорта. При этом наблюдать удастся лишь какой-то конкретный объект по другую сторону светила.
Для применения гравитационных линз в качестве телескопов необходимо оказаться в определенном месте и в нужный момент. К счастью, космос обладает огромными размерами, и множество мощных гравитационных линз уже «направлены» в нашу сторону. Остается лишь их обнаружить.
Результаты первого систематического поиска мощных гравитационных линз в обзоре COSMOS-Web представили в COSMOS-Web Lens Survey (COWLS). Для этого ученые использовали данные, полученные спектрографом NIRSpec космического телескопа «Джеймс Уэбб». В ходе ручного анализа более 42 600 галактик было обнаружено свыше 400 потенциальных гравитационных линз. На создание этого каталога потребовалось 255 часов наблюдений с использованием телескопа.
Среди претендентов ученые определили семнадцать явных объектов, демонстрирующих сильный эффект гравитационного линзирования. Их описание опубликовано в статье в журнале Місячні повідомлення Королівського астрономічного товариства . В ходе второго этапа изучения изображений количество потенциальных сильных гравитационных линз возросло до 59, а также было определено еще 57 «уверенных» кандидатов.
В рамках реализации нового этапа проекта опубликован предварительный отчёт выложен на портале arXiv, исследователи спрогнозировали количество и характеристики гравитационных линз, которые должен был выявить этот обзор. По их расчетам, среди сильных линз обзора COSMOS-Web должны преобладать небольшие кольца Эйнштейна. Большинство линз должны находиться на расстоянии, соответствующем одному красному смещению (z = 1), то есть когда Вселенной было примерно 5,9 миллиарда лет. Увеличенные ими далекие объекты — преимущественно на расстоянии, соответствующем смещению 3,2, когда Вселенной было приблизительно два миллиарда лет.
Прогноз соответствует результатам исследований, однако имеются расхождения в деталях. В частности, по мнению ученых, участвующих в проекте, следовало обнаружить больше линз с большим красным смещением. Авторы новой статьи выразили предположение, что список таких сильных гравитационных линз расширится после анализа данных, полученных с MIRI – прибором для работы в среднем инфракрасном диапазоне. Кроме того, ожидалось найти больше небольших колец Эйнштейна. Однако прибор MIRI не сможет помочь в этом: его разрешение недостаточно для их обнаружения. Поэтому для поиска небольших колец потребуется повторный просмотр каталога.
В любом случае, анализ причин отклонения прогнозов от фактических результатов проекта будет способствовать дальнейшему поиску возможностей для создания бесплатных космических телескопов, предназначенных для изучения первых миллиардов лет существования Вселенной.