Предсказанное 110 лет назад Эйнштейном гравитационное линзирование было подтверждено наблюдением через четыре года после публикации его работы. Это было сделано благодаря наблюдению искривления света звёзд гравитацией Солнца во время затмения. Десятилетия спустя, с появлением более совершенных телескопов, гравитационное линзирование стало популярным инструментом для изучения Вселенной. Но до недавнего времени никто не видел такого феномена, как «зигзаг Эйнштейна».

Источник изображений: Frédéric Dux

Началось всё с того, что астрономов заинтересовал далёкий квазар J1721+8842. Его первые наблюдения были проведены в 2017 году с помощью панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования (Pan-STARRS), расположенной в обсерватории Халеакала на Гавайях. Объект демонстрировал явление гравитационного линзирования, представ на снимках в четырёх экземплярах.

Как объяснил ещё в 1915 году Эйнштейн, материя тесно связана с пространством-временем. Массивные объекты искажают пространство-время, заставляя свет следовать этим изгибам. Изгибы, как линзы, фокусируют и направляют свет, отчего на снимках телескопов один и тот же объект будет двоиться, троиться и быть видимым одновременно в разных точках пространства. Чаще всего наблюдаются одиночные гравитационные линзы. Может быть, потому что их проще обнаружить? Но иногда возникают причудливые явления, такие как крест или кольцо Эйнштейна, когда фокусирующая свет далёкого объекта масса (галактика или скопление галактик вместе с собранной вокруг них тёмной материей) располагаются точно выверенным образом по отношению к объекту.

Квазар J1721+8842 оказался одним из таких уникальных объектов. А подключение к его наблюдению телескопа «Уэбб» сделало открытие поистине редким и первым в истории. Чувствительность «Уэбба» позволила выявить ещё две копии далёкого квазара — всего шесть. Оказалось, что свет от квазара, расположенного на удалении 11 миллиардов световых лет от нас, преломляется двумя массами — он дважды гравитационно линзируется. Сначала его свет преломляется далёкой галактикой на удалении 10 миллиардов световых лет, а затем более близкой к нам галактикой на расстоянии 2,3 миллиарда световых лет от Земли. Все три объекта выровнены таким образом, что свет от квазара как бы совершает зигзаг в пространстве-времени, отклоняясь сначала одной галактикой, а затем другой. Такого эффекта ещё никто не наблюдал.

Копии квазара обозначены буквами, дуги — это копии далёкой галактики (она тоже «размножилась»), в центре — ближняя галактика

Более того, уникальное расположение линзирующих масс и источника света (квазара) позволяет одновременно провести два измерения — установить ограничения на определение постоянной Хаббла и ввести ограничения в уравнения для оценки тёмной энергии. Обычно можно либо одно, либо другое. Одновременная оценка обеих спорных величин даст науке больше, чем другие измерения.

Что касается постоянной Хаббла, то есть намёки на то, что её величина отличается в местной Вселенной и в ранней. Относительно тёмной энергии вообще мало что понятно. Она «расталкивает» объекты во Вселенной и чем они дальше друг от друга, тем быстрее разлетаются в стороны. Две точки преломления света от J1721+8842 на разных концах Вселенной — это удобная возможность поискать отличия. Впрочем, учёные предупреждают, что выводы делать рано. Сначала необходима углублённая работа теоретиков с учётом полученных данных, а на это могут уйти годы.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли заявили об открытии гравитационной линзы рекордной силы. Они обнаружили редчайшее расположение ряда галактик и скоплений, выстроенных в одну линию на расстоянии до 12 млрд световых лет от Земли. Это как найти в стоге сена семь выстроенных в ряд иголок, объяснили масштаб открытия исследователи. Уникальная линза обещает помочь в раскрытии тайн космологии, которые пока не поддаются науке.

Нажмите, чтобы раскрыть. Источник изображения: William Sheu/UCLA

Самое интересное, что открытие сделано не случайно, а в результате целенаправленного поиска. Учёные создали компьютерную модель специально для поиска уникальных гравитационных линз. В модель загрузили данные множества предыдущих наблюдений неба и затем провели ручной отбор наиболее многообещающих кандидатов. Фактически «иголки в стоге сена» искал суперкомпьютер, с чем он блестяще справился. Созданная учёными модель также позволит анализировать данные, собранные при наблюдениях через этот «вселенский телескоп», что является сложной задачей. Из-за искажения пространства-времени одна и та же галактика через гравитационную линзу может быть представлена двумя, тремя и даже большим числом образов, что не всегда очевидно. А найденная «суперлинза» искажает пространство-время последовательно шесть раз!

На фотографии «карусельной линзы» (carousel lens), сделанной через телескоп «Хаббл», как назвали её учёные, можно видеть центральную линзу, образованную ближайшим к Земле скоплением галактик, обозначенных буквой L (их четыре). До них 5 млрд световых лет. За этим скоплением, почти на идеальной прямой по линии зрения от Земли, расположены семь галактик в пяти группах на глубине до 12 млрд световых лет. Каждая из них имеет несколько копий, размноженных из-за искажения пространства-времени на пути света (они обозначены буквами с порядковыми номерами). Почти идеальная прямая, проходящая через все семь галактик и скопление на переднем плане, проявляется в виде концентрических окружностей на изображении, по которым размазаны дубликаты галактик — каждая по своей окружности. Это уже не линза, а целый гравитационный объектив.

Но чудо случайности на этом не заканчивается. Обратите внимание на галактику под номером 4, четыре образа которой почти идеально расположены крестом вокруг центрального скопления. Это так называемый Крест Эйнштейна. Значительное разнесение четырёх копий этой галактики вокруг почти пустого пространства в центре указывает на присутствие тёмной материи.

«Это беспрецедентное открытие, и созданная вычислительная модель демонстрирует весьма многообещающую перспективу для измерения свойств космоса, включая свойства темной материи и темной энергии», — уверены авторы работы.

Тёмная материя проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии, что делает её невидимой в электромагнитном спектре. Можно ли раскрыть её секреты, не получая данных о тёмном веществе напрямую? В этом могут помочь пульсары, уверены учёные. Радиоволновые импульсы от этих природных часов распространяются по кривизне пространства-времени и реагируют на гравитационные возмущения от сгустков тёмной материи.

Художественное представление пульсара. Источник изображения: NASA Goddard/Walt Feimer

Исследователи из Университета Нотр-Дам (США) изучили 65 пульсаров из каталога Parkes Pulsar Timing Array, данные по которым собирает одноимённая радиообсерватория в Австралии. Идея заключалась в том, что искривление пространства-времени под воздействием сгустка тёмной материи внесёт задержку в радиоимпульс какого-либо пульсара. Эту задержку длительностью в несколько наносекунд мы можем измерить с использованием атомных часов на Земле и собранных данных о пульсарах, которые служат своеобразными маяками во Вселенной и невообразимо точны для нашего масштаба времени.

Пульсары — это нейтронные звёзды, ядра умерших массивных звёзд, многократно больше нашего Солнца. Если они при осевом вращении направляют полюса в сторону Земли, то мы фиксируем радиоимпульс от выброса энергии. Массы вещества на пути радиоимпульсов — обычного и тёмного — искривляют пространство-время и делают путь радиолуча длиннее, как если бы он двигался не по прямой, а по окольному пути. В приходе импульса возникает задержка, которая позволяет судить о массе, вызвавшей возмущение пространства-времени. И если в том месте пространства нет видимого объекта, например, звезды или скопления звёзд, то там может скрываться невидимая тёмная материя.

В данных о 65 пульсарах учёные обнаружили 12 обнадёживающих аномалий, которые указывали на изменения и задержки во времени пульсаров, ранее зафиксированные радиотелескопом. Земля, Солнце и пульсары очевидным образом постоянно движутся в пространстве, создавая всё новые и новые условия для наблюдений. Все изменения в длительности импульсов пульсаров создают образ пространства-времени между этими объектами, который учёные пытаются расшифровать.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Данная работа имеет также другое значение. Примерно год назад впервые была подтверждена регистрация низкочастотных гравитационных волн — своеобразной ряби пространства-времени во Вселенной. Это почти как решётка пространства-времени, которая как и реликтовое излучение может дать информацию о процессах вскоре после Большого взрыва и более поздних. Данные о задержках сигналов пульсаров могут помочь исключить гравитационный шум — помехообразующее воздействие тёмной материи на эту рябь, что повысит точность измерений других явлений, таких как слияние чёрных дыр на заре Вселенной и процессы с первичными чёрными дырами.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США направил свой взор на далёкий астрономический объект, визуально напоминающий кольцо с драгоценными камнями. На деле это квазар RX J1131-1231 на расстоянии 6 млрд световых лет от Земли в созвездии Чаши.

Источник изображения: ESA

Столь необычный вид квазара обусловлен тем, что его изображение дошло до нас в искажённом виде из-за эффекта гравитационного линзирования. Дело в том, что галактика, находящаяся между Землёй и RX J1131-1231, искажает изображение квазара на заднем плане, из-за чего на снимке появляются яркая дуга и четыре образования. По данным Европейского космического агентства (ESA), на сегодняшний день представленный снимок является одним из лучших «линзированных» квазаров, которые удалось запечатлеть.

Что касается гравитационного линзирования, то этот эффект первым предсказал Альберт Эйнштейн. Без углубления в детали принцип действия линзирования можно сравнить с тем, как работает увеличительное стекло. Обладающие массой космические объекты искривляют пространство и время под действием гравитации, из-за чего создаётся увеличительный эффект, позволяющий астрономам заглянуть в глубь космического пространства. Вместе с этим, когда ведётся наблюдение за дальним источником света через другой космический объект, например, галактику, форма дальнего источника света искажается.

«Вся материя во Вселенной искривляет пространство вокруг себя, причём более массивные объекты вызывают более сильный эффект. Вокруг очень массивных объектов, таких как галактики, свет, проходящий рядом с ними, следует за этим искривлённым пространством, отклоняясь от своего первоначального направления на хорошо заметную величину. Одним из последствий гравитационного линзирования является то, что оно может увеличить удалённые астрономические объекты, позволяя астрономам изучать их. Без линзирования такие объекты были бы слишком тусклыми или удалёнными», — говорится в сообщении ESA.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) сделал снимок гигантского скопления галактик eMACS J1823.1+7822, расположенного на значительном отдалении от нас. Масса этого кластера настолько велика, что свет расположенных позади галактик подвергся эффекту гравитационного линзирования — они кажутся вытянутыми или искривлёнными. Видно несколько галактик, окружающих скопление, а также звёзды с характерными дифракционными лучами.

Источник изображения: esahubble.org

Скопление галактик носит название eMACS J1823.1+7822 — оно наблюдается в созвездии Дракона и находится на расстоянии почти 9 млрд световых лет от Земли. Это одно из пяти исключительно массивных скоплений галактик, которое исследователи изучают при помощи телескопа «Хаббл» в надежде оценить силу этих гравитационных линз и сформировать представление о распределении тёмной материи в них.

Сильные гравитационные линзы вроде eMACS J1823.1+7822 представляют собой не только ценные объекты изучения, но и сами выступают в качестве научного инструмента. Действуя как огромные естественные телескопы, они увеличивают объекты, которые оставались бы слишком тусклыми или далёкими для современного оборудования.

Изображение было получено путём наложения данных, полученных при снимках с восемью фильтрами на два прибора «Хаббла»: Advanced Camera for Surveys и Wide Field Camera 3. Эти инструменты позволяют наблюдать астрономические объекты только в небольших фрагментах спектра. Комбинация снимков на разных длинах волн позволяет астрономам составлять более полную картину структуры, состава и поведения объектов — одного только видимого диапазона было бы недостаточно.

Центральное скопление на снимке состоит преимущественно из ярких эллиптических галактик, а неподалёку от его ядра обозначилась яркая искажённая дуга — ещё одна галактика, изображение которой подверглось гравитационному линзированию.

Расположенная в Индии обсерватория Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) уловила сигнал с длиной волны в диапазоне 21 см, известной также как «радиолиния нейтрального водорода», от галактики, находящейся на рекордном расстоянии от Земли — 8,8 млрд световых лет.

Источник изображений: mcgill.ca

Галактика, обозначенная как SDSSJ0826+5630, произвела этот сигнал 8,8 млрд лет назад. Он позволил оценить содержание газа в галактике и выяснить, что её масса двукратно превышает массу видимых звёзд в ней. Галактики производят электромагнитное излучение в широком диапазоне, однако сигналы радиолинии нейтрального водорода пока удавалось принимать только от близлежащих, а следовательно, более молодых источников.

Трудность приёма сигналов на этих длинах волн от более далёких галактик связана с тем, что при преодолении больших расстояний длины волн таких сигналов увеличиваются, что приводит к уменьшению энергии волны. Учёным помог феномен гравитационного линзирования, предсказанный в общей теории относительности (ОТО) более века назад.

ОТО предполагает, что обладающие массой объекты искажают пространство и время; чем больше масса, тем сильнее искривление. Искривляется и траектория движения света, проходящего мимо массивного объекта — в результате его источник может появляться на нескольких точках неба, а сила сигнала может увеличиваться.

Произведённый SDSSJ0826+5630 радиосигнал был в 30 раз усилен другой галактикой, действующей как линзирующее тело, в результате чего расположенный на Земле телескоп смог этот сигнал принять. Значит, подобные сигналы можно будет принять и от других удалённых галактик, а длинноволновые радиотелескопы помогут лучше исследовать механизмы эволюции объектов молодой Вселенной.

Результаты исследования опубликованы в мартовском выпуске британского научного журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.