Scienty

В начале XIX века пытались объяснить гравитационное линзирование — эффект искривления света массивными космическими объектами, основываясь на классической ньютоновской механике. Недавно, спустя почти двадцать двадцать лет, астрофизики из Стэнфордского университета разработали технологию, которая использует гравитацию Солнца как линзу для получения подробных изображений экзопланет в других звездных системах на расстояниях десятков и сотен световых лет.

Гравитационное линзирование — это явление, при котором свет искривляется по пути движения из-за массивных космических тел.

Не Эйнштейном единым

Первые попытки прогнозирования и математического описания явления предпринял Иоганн Зольднер. Johann SoldnerВ 1801 году. Несмотря на то, что за сто лет до него Исаак Ньютон… Isaac NewtonВ трактате «Оптика» говорилось о чём-то подобном.

В заключении третьей книги Ньютон высказал ряд вопросов, ответы на которые он, возможно, не рассчитывал найти в скором времени, доведя их до коллег или потомков. Первый из них можно перефразировать следующим образом: не влияют ли тела на свет на расстоянии, своим действием искажая его лучи, и не является ли это воздействие (при прочих равных условиях) наиболее сильным на наименьшем расстоянии?

Зольднер, подобно истинному ученику Ньютона, корпускулярной теорииИзлучение света объяснялось существованием частиц (корпускул) с массой. Взаимодействуя с массивными космическими объектами, корпускулы света притягивались к ним, отклоняясь от первоначальной траектории. Аналогично метеоритам, пролетая рядом с Землёй, которые под действием её гравитации могут упасть на поверхность, если их скорость недостаточна и расстояние небольшое.

Зольднер вычислил величину отклонения света вблизи массивных тел. Полученный им результат, полученный в рамках ньютоновской физики, несмотря на неверные предпосылки о массивности частиц света, был очень близок к верному — различие оказалось всего в два раза. Сам Альберт Эйнштейн это заметил. Albert EinsteinРассчитал теоретическое отклонение света в рамках классической физики и затем, исходя из своей Общей теории относительности.

Дело не только в цифрах

Многие читатели сформулируют обоснованный вопрос: мы же понимаем, что согласно устоявшимся представлениям в физике элементарных частиц… Стандартной моделиФотоны света не обладают массой, поэтому гравитационное воздействие на них отсутствует.

Фотоны света по ОТО не замечают гравитации и продолжают двигаться по прямой. Но эта прямая искривляется рядом массивных космических тел. Траектория искривляется из-за того что эти тела искривляют пространство — время, поэтому движение света для наблюдателя с Земли преломляется, как в линзах очков.

Важно различать гравитационные и оптические линзы. Фокус — точка схождения параллельных лучей света после прохождения оптической системы – применим к обычным линзам, будь то в очках или глазах человека. Для гравитационных линз понятие фокуса не подходит: гравитация отклоняет фотоны света сильнее, чем ближе они к массивным телам. У гравитационных линз вместо фокальной точки – целая линия.

Наблюдатель, располагаясь на одной прямой с объектом и массивным линзирующим телом перед собой, окажется на фокальной линии. В таком случае объект для него будет казаться кольцом (так называемым кольцом Эйнштейна — Хвольсона) вокруг массивного линзирующего тела, форма которого определяет форму этого кольца.

Если наблюдатель отклонится от фокусной линии, то увидит либо часть дуги, либо смещенное изображение. Если линзирующее тело — галактика или скопление галактик без круговой симметрии, то вместо обычного кольца Эйнштейна — Хвольсона может появиться лишь небольшая дуга или другое красочное событие — крест Эйнштейна, учетверенное изображение удаленного объекта.

Доверяй, но проверяй

Почему сегодня астрофизики так убеждены, что объяснение по теории относительности верно? Всё ясно: теоретические вычисления и предсказания, сделанные в рамках теории относительности, согласуются с наблюдениями и неоднократно проверялись.

Через четыре года после того как Эйнштейн представил свою ОТО, в мае 1919-го, два английских астронома сэр Артур Эддингтон и… Arthur Eddington) и сэр Фрэнк Дайсон (Frank DysonОрганизовали две экспедиции в Бразилию и Западную Африку. Там 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 учёные проводили много наблюдений, подтверждающих теорию, как наземными, так и космическими телескопами. За более чем сто лет поисков астрономы обнаруживали различные явления: кольца Эйнштейна — Хвольсона, кресты Эйнштейна, космические подковы, даже космические смайлики.

Наблюдения позволили обнаружить десятки экзопланет через эффект микролинзирования — краткосрочное и периодическое увеличение света от родительской звезды при прохождении планеты между звездой и наблюдателем. С помощью гравитационных линз, образованных скоплениями галактик, удалось увидеть самые первые галактики в молодой Вселенной — например, SPT0615-JD. существовалаВ ранние этапы существования Вселенной, примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва.

Иногда гравитационное линзирование создает невероятные явления. Хорошо известно… историяАстрономы наблюдали сверхновую Рефсдала дважды. Второй раз это произошло по предсказанию модели, описывающей гравитационное линзирование скопления галактик. Из-за разницы в длине путей, проходимых фотонами света от сверхновой через скопление галактик, изображение сверхновой в виде креста Эйнштейна появилось сначала в ноябре 2014 года, а затем в декабре 2015 года — точно в соответствии с моделью.

Солнечный объектив для фотосъемки экзопланет

За 30 лет с момента обнаружения первой экзопланеты астрономы открыли более пяти тысяч при помощи транзитного и доплеровского методов наблюдения, а также микролинзирования. Все три метода основаны на наблюдении за изменениями характеристик света родительской звезды. И лишь в 59 случаях удалось увидеть планету непосредственно, при этом эти объекты во много раз массивнее Юпитера.

Астрономы получают ограниченные данные об экзопланетах: период обращения вокруг звезды, яркость, массу и плотность. Но поверхность и атмосфера планет, расположенных за десятки и сотни световых лет от Земли, наблюдать напрямую сложно. В Стэнфордском университете (США) астрофизики теоретически попытались обойти ограничения современных и будущих телескопов.

Разрабатывается новый концептуальный метод визуализации, который в будущем может стать в тысячу раз точнее существующих технологий. Метод использует эффект гравитационного линзирования, создаваемый Солнцем, для наблюдения за планетами за пределами нашей системы.

Установив телескоп на одной прямой с светилом и наблюдаемой экзопланетой, то есть на фокальной линии, специалисты могли бы использовать гравитационное поле Солнца для усиления и фокусировки света от экзопланеты. Подробное описание технологии авторы изложили в статье. опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.

«Мы стремимся получать изображения планет, вращающихся вокруг других звёзд, с такой же чёткостью, как и изображения планет нашей Солнечной системы», — сказал соучредитель исследования Брюс Макинтош. Bruce MacintoshПрофессор физики из Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета и заместитель директора Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC) сообщил: благодаря этой технологии надеются 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

Авторы сами отмечают, что данная концепция не является новой и частично основана на схожих идеях, где… предлагалосьМожно связать космические аппараты на межзвездных расстояниях, используя солнечную гравитационную линзу. Радиоволны или лазерное излучение, применяемые в пределах Солнечной системы, – это фотоны, которые можно сфокусировать с помощью гравитационной линзы. Для этого не нужно создавать новые высокотехнологичные устройства.

Два астрофизика, опираясь на прошлые исследования, предложили способ реконструировать поверхность далекой экзопланеты по одному снимку солнечного кольца Эйнштейна — Хвольсона. Алгоритм, созданный аспирантом KIPAC и ведущим автором исследования Александром Мадуровичем, захватывает кольцевое изображение экзопланеты, образованное вокруг Солнца. Alexander MadurowiczПосредством моделирования может быть восстановлено изображение планеты, искажённое гравитационной линзой.

Исследователи продемонстрировали работоспособность алгоритма, используя снимки Земли из космоса. Фотографии были преобразованы в данные типа «свет от экзопланеты», находящейся в шести сотнях парсек от нас. Затем реконструкция изображения с помощью алгоритма показала: океаны, континенты и облака легко различимы. Представим, как земное население воспримет подобное изображение, но уже далекой экзопланеты.

Чтобы получить подобный реальный снимок кольца Эйнштейна — Хвольсона, из которого можно будет восстановить достаточно детализированное изображение экзопланеты, телескоп должен быть размещен примерно в 600-650 раз дальше от Солнца, чем Земля. Это почти в 15 раз дальше от светила, чем Плутон, за пределами нашей Солнечной системы.

В четыре раза дальше находится эта точка, чем космический зонд «Вояджер-1» — самый удаленный на сегодняшний день от Земли аппарат, когда-либо запущенный человеком в космос. Пролетел он уже без малого 45 лет. И всё же это расстояние невелико по сравнению с десятками и сотнями световых лет между Солнцем и ближайшими экзопланетами.

И все же оно нам нужно

Для получения изображения экзопланеты с таким разрешением, как описывают ученые в своей работе, необходим телескоп размером в двадцать раз больше диаметра Земли. Гравитация Солнца может служить массивной естественной линзой, упрощая конструкцию телескопа. Так, телескоп размером «Хаббла» с солнечной гравитационной линзой позволит получать изображения экзопланет с хорошим разрешением мелких деталей на их поверхности.

«Солнечная гравитационная линза открывает принципиально новые возможности для наблюдений, — говорит Мадурович. — Это позволит изучить подробную динамику атмосфер планет, а также распределение облаков и особенности поверхности, изучать которые сейчас невозможно».

Авторы считают, что не менее пятидесяти лет потребуется для воплощения технологии, а возможно и больше. Для достижения приемлемых сроков необходим быстрый космический аппарат, поскольку с современными технологиями путешествие к месту размещения телескопа займет сто и более лет. Использование солнечных парусов или гравитационного маневра около планет Солнечной системы позволит сократить время реализации проекта до двадцати или сорока лет.

Этот шаг поможет выяснить наличие жизни на иных планетах.

Макинтош говорит, что, хотя пока не ясно, как это будет происходить, их движет сильное желание узнать, есть ли у некоторых экзопланет континенты, океаны или облака. Наличие любого из этих признаков может стать одним из показателей наличия жизни на далекой планете.

Сфотографировав другую планету, можно посмотреть на неё и, возможно, увидеть зелёные участки, то есть леса, и голубые пятна – океаны. Тогда было бы трудно утверждать, что на ней нет жизни.