Еще в начале XIX века ученые пытались объяснить гравитационное линзирование – явление искривления света массивными объектами – с помощью классической ньютоновской механики. Недавно, спустя почти 220 лет, астрофизики из Стэнфордского университета (США) предложили использовать гравитацию Солнца для создания линзы, которая позволит получать более четкие изображения экзопланет, расположенных в других звездных системах на расстояниях в десятки и сотни световых лет. Naked Science рассказывает о том, что такое «гравитационное линзирование», какие сведения об этом эффекте известны астрономам и как эти знания можно применять для исследования самых удаленных регионов Вселенной.
Массивные космические объекты способны отклонять фотоны света, заставляя их менять направление движения. Это явление известно как гравитационное линзирование. В качестве таких объектов могут выступать звезды, планеты, черные дыры, галактики и даже их скопления, причем степень отклонения света зависит от массы и плотности объекта.
Не Эйнштейном единым
Первые попытки предсказать и математически описать данное явление были предприняты Иоганном Зольднером ( Johann Soldner) в 1801 году. За столетие до этого Исаак Ньютон сам занимался исследованиями ( Isaac Newton) в трактате «Оптика» делалось упоминание о подобном.
В заключительной части третьей книги Ньютон представил ряд вопросов, на которые, по всей видимости, не ожидал получить ответы в обозримом будущем, передав их для решения коллегам или будущим поколениям. Первый вопрос из этого перечня можно интерпретировать следующим образом: оказывают ли тела влияние на свет на расстоянии, изменяя при этом направление его лучей, и не является ли это воздействие (при прочих равных условиях) наиболее интенсивным на минимальном расстоянии? Это довольно точное описание эффекта гравитационного линзирования.
Зольднер, будучи верным приверженцем идей, разработанных 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.
Зольднер вычислял величину отклонения света вблизи массивных тел. К удивлению, результат, полученный им с использованием ньютоновской физики, оказался весьма близок к правильному, несмотря на ошибочную предпосылку о массивности частиц света – разница составила всего два раза. Это заметил сам Альберт Эйнштейн ( Albert Einstein), сначала он вновь рассчитал величину отклонения света, опираясь на принципы классической физики (вероятно, он не был знаком с работами Зольднера), а затем, основываясь на своей Общей теории относительности (ОТО).
Дело не только в цифрах
Многие читатели справедливо спросят: известно ли нам, что, согласно общепринятым представлениям 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.
Общая теория относительности утверждает, что фотоны света не подвержены гравитационному воздействию и, следовательно, продолжают двигаться по прямой линии. Однако, вблизи массивных объектов, эта прямая траектория кажется искривленной. Дело в том, что эти объекты деформируют пространство-время, что приводит к преломлению движения света для наблюдателя на Земле, подобно тому, как свет преломляется в линзах.
Важно учитывать существенную разницу между гравитационными и оптическими линзами. У обычных линз существует понятие фокуса – точки, где сходятся (фокусируются) параллельные лучи света после прохождения оптической системы, например, линзы очков или наши глаза. Однако, для гравитационной линзы данное понятие не подходит, поскольку гравитация отклоняет фотоны света в зависимости от расстояния до центра массивного тела. В результате, гравитационные линзы характеризуются не фокальной точкой, а целой линией.
Находясь на одной линии с наблюдаемым объектом и массивным гравитационным линзой, наблюдатель окажется на фокальной линии. В этом случае наблюдаемый объект предстанет перед ним в виде кольца, известного как кольцо Эйнштейна — Хвольсона, форма которого определяется конфигурацией линзирующего тела.
Смещение наблюдателя с фокальной линии приведет к тому, что он увидит либо часть дуги, либо искаженное изображение. В случае, если линзирующим телом является галактика или скопление галактик, не обладающие круговой симметрией, вместо обычного кольца Эйнштейна — Хвольсона, можно наблюдать лишь небольшую дугу или другое интересное явление — крест Эйнштейна, учетверённое изображение удалённого объекта.
Доверяй, но проверяй
Астрофизики сейчас убеждены в верности объяснения, предлагаемого общей теорией относительности, по нескольким причинам: теоретические вычисления и прогнозы, основанные на этой теории, демонстрируют высокую степень соответствия с результатами наблюдений и неоднократно подтверждались на практике.
Спустя всего четыре года после публикации Эйнштейна своей общей теории относительности, в мае 1919 года, два английских астронома, сэр Артур Эддингтон ( Arthur Eddington) и сэр Фрэнк Дайсон (Frank Dyson) в Бразилию и Западную Африку были организованы две экспедиции, чтобы впервые проверить расчеты Эйнштейна и предсказания его теории. Ученые наблюдали отклонение света звезд, которое проявляется в изменении их положения на небе, вблизи Солнца во время затмения. Полученные результаты, полностью соответствующие общей теории относительности, произвели впечатление на Лондонское королевское общество и сделали Эйнштейна и его теорию известными во всем мире.
На протяжении этого времени ученые провели обширные наблюдения, используя как наземные, так и космические телескопы, чтобы подтвердить данную теорию. За более чем столетие поисков астрономы обнаруживали самые разнообразные объекты: от колец Эйнштейна — Хвольсона и крестов Эйнштейна до космических подков и даже космических смайликов.
Помимо создания красивых (и иногда забавных) снимков, наблюдения позволили, к примеру, выявить десятки экзопланет благодаря эффекту микролинзирования — кратковременному и периодическому увеличению потока света от звезды, когда планета проходит между звездой и наблюдателем. С помощью гравитационных линз, формируемых скоплениями галактик, также удалось наблюдать самые ранние галактики в молодой Вселенной — одна из них (SPT0615-JD) существовала, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет.
Иногда гравитационное линзирование приводит к поразительным эффектам. Широко известно 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
Более трех десятилетий прошло с момента открытия первой планеты за пределами нашей Солнечной системы. За это время астрономы, применяя преимущественно транзитный и доплеровский методы, а также микролинзирование, идентифицировали свыше 5000 экзопланет. Все эти методы основаны на анализе изменений в характеристиках света, излучаемого далекой звездой, а непосредственно наблюдать планету удается крайне редко (на сегодняшний день — всего 59 случаев, и это только для планет, значительно превышающих массу Юпитера).
Астрономам доступна лишь ограниченная информация об экзопланетах: период обращения вокруг звезды, их яркость, приблизительная масса и плотность. Наблюдение за деталями поверхности и атмосферы экзопланет, расположенных на расстоянии десятков и сотен световых лет от Земли, напрямую представляется невозможным. Тем не менее, астрофизики из Стэнфордского университета (США) попытались обойти физические ограничения существующих и перспективных телескопов — пока лишь на теоретическом уровне).
Разрабатывается принципиально новый метод визуализации, который в будущем может обеспечить точность, превышающую возможности современной передовой технологии в тысячу раз. В основе технологии лежит использование эффекта гравитационного линзирования, создаваемого Солнцем, для наблюдения за планетами, расположенными на значительном удалении от нашей Солнечной системы.
Разместив телескоп на прямой, проходящей через светило и наблюдаемую экзопланету (на фокальной линии), исследователи могли бы использовать гравитационное поле Солнца для усиления и фокусировки света, исходящего от экзопланеты. Авторы детально описали эту технологию в своей научной работе, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.
«Цель состоит в том, чтобы получать изображения планет, вращающихся вокруг других звезд, столь же четкие, как и снимки планет нашей Солнечной системы», — пояснил один из авторов исследования Брюс Макинтош ( Bruce Macintosh), профессор физики Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфорда, а также заместитель директора Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC). Эта технология позволит нам, надеемся, получить изображение планеты, расположенной в 100 световых годах от нас, которое, подобно снимку Земли, сделанному «Аполлоном-8», вызовет всемирный интерес».
Все новое — хорошо забытое старое
По словам авторов, данная идея не является полностью оригинальной и во многом основана на существующих концепциях, таких как, например, предлагалось использовать 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.
Используя данные, полученные в ходе предыдущих исследований, астрофизики разработали метод, который, как предполагается, позволит восстановить поверхность отдаленной экзопланеты, основываясь на единственном изображении кольца Эйнштейна — Хвольсона. Алгоритм, созданный аспирантом KIPAC и ведущим автором исследования Александром Мадуровичем, позволяет получить кольцевое изображение экзопланеты, расположенное вокруг звезды ( Alexander Madurowicz), что позволяет восстановить исходное изображение планеты, искаженное гравитационной линзой.
Авторы показали, как работает алгоритм, используя снимки Земли, сделанные из космоса. Они «закодировали» эти фотографии в кольцо Эйнштейна — Хвольсона, имитируя свет от экзопланеты, расположенной в шести сотнях парсек, и затем провели реконструкцию с помощью разработанного алгоритма. Полученные изображения, безусловно, не отличаются высокой детализацией и содержат артефакты, однако океаны, континенты и облака остаются хорошо различимыми: Земля мгновенно узнается. Представьте, если бы земляне получили изображение того же качества, но уже от настоящей, удаленной экзопланеты.
Для получения достоверного изображения кольца Эйнштейна — Хвольсона, позволяющего реконструировать детальную картину экзопланеты, телескоп должен находиться на расстоянии около 600-650 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца. Это приблизительно в 15 раз дальше от светила, чем Плутон, и за пределами нашей Солнечной системы.
Это место находится на расстоянии, в четыре раза превышающем расстояние от Земли до космического зонда «Вояджер-1», который на данный момент является самым удаленным от нашей планеты космическим аппаратом, когда-либо отправленным в космос. Этот аппарат движется уже почти 45 лет. Тем не менее, это расстояние представляет собой лишь незначительную часть пути, отделяющего Солнце от ближайших экзопланет, расположенных на расстоянии десятков и сотен световых лет.
И все же оно нам нужно
Для получения изображения экзопланеты с таким разрешением, о котором сообщают ученые в своей работе, потребовался бы телескоп, в 20 раз превышающий диаметр Земли. Однако использование гравитации Солнца в качестве мощной естественной линзы позволяет существенно облегчить конструкцию телескопа. Телескоп, сопоставимый по размеру с «Хабблом», в сочетании с солнечной гравитационной линзой, позволил бы получать изображения экзопланет с достаточным разрешением для рассмотрения мелких деталей на их поверхности.
«Мадурович объясняет, что солнечная гравитационная линза открывает принципиально новые перспективы для наблюдений. Она позволит изучить динамику атмосфер планет во всех деталях, а также распределение облаков и особенности поверхности, которые в настоящее время недоступны для исследования».
Авторы считают, что потребуется не менее полувека, прежде чем данная технология станет доступной для практического применения, а возможно, и значительно больше. Для завершения проекта в разумные сроки потребуется значительно более совершенный космический аппарат, поскольку с использованием современных технологий путешествие к месту установки телескопа может занять столетие и более. Применение солнечных парусов или использование гравитационных маневров вокруг планет Солнечной системы (как, например, аппарат «Новые горизонты» использовал гравитационный маневр у Юпитера) позволит сократить время реализации проекта до более приемлемых 20 или 40 лет.
«Это один из завершающих этапов в поиске внеземной жизни»
Макинтош отмечает, что пока что невозможно предсказать, что произойдет, однако ученых движет стремление выяснить, обладают ли некоторые экзопланеты континентами, океанами или облаками. Обнаружение любого из этих элементов может свидетельствовать о возможности существования жизни на удаленной планете.
«Сделав снимок другой планеты, можно увидеть на ней зеленые зоны, напоминающие леса, и голубые области — океаны. В таком случае было бы сложно утверждать об отсутствии жизни», — заключил Макинтош.