Также по теме

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА – массивное тело, искривляющее своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения. Этот эффект тяготения называют «линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц.

Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей.

Эффект гравитационной линзы был предсказан А.Эйнштейном, который в 1915 в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1,75І в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.

      ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА. a – распространение лучей (черные линии) в поле сферически симметричной гравитационной линзы D, не лежащей строго на прямой между источником света S и наблюдателем O. Цветные пунктирные линии указывают направления, в которых наблюдатель видит изображения источника (J1 и J2), созданные этими лучами.b – эффект гравитационной линзы, наблюдаемый в картинной плоскости, перпендикулярной направлению на источник. Пунктиром показан размер (Q0) кольца Эйнштейна. Если бы источник S лежал точно за линзой D, то его дугообразные изображения J1 и J2 совпали бы с пунктирной линией, вытянулись и слились в идеальное кольцо. А если бы линза была прозрачной, то в центре кольца было бы видно и неискаженное изображение источника.

Первый, кто использовал термин «линза», говоря об отклонении электромагнитного луча гравитацией, по-видимому, был английский физик Оливер Лодж (1851–1940), который в 1919 отметил, что «гравитационное поле действует, как линза, но не имеет фокусного расстояния». Он оказался прав: поскольку действие гравитации быстро ослабевает с расстоянием от источника (обратно пропорционально квадрату расстояния), фокусирующее действие гравитационной линзы отличается от действия ее стеклянного аналога. Если обычная линза собирает весь падающий на нее свет в одной точке фокуса, то гравитационная линза только отклоняет лучи к оптической оси, но не может собрать их в едином фокусе: чем дальше проходят лучи от источника гравитации, тем на большем расстоянии от него эти лучи пересекаются. Поэтому фокусирующий эффект простейшей (точечной) гравитационной линзы весьма слаб и не может очень сильно увеличить яркость изображения источника света. Такого же мнения придерживался и знаменитый английский астрофизик А.Эддингтон, не веривший в возможность наблюдения эффекта гравитационной фокусировки.

Однако физики продолжали теоретически изучать этот любопытный эффект. Известный петербургский профессор Орест Даниилович Хвольсон (1852–1934) в 1924 опубликовал в немецком журнале «Astronomische Nachrichten» заметку о том, что луч света далекой звезды может быть отклонен притяжением другой звезды-линзы, в результате чего возникнет второе изображение далекой звезды. Однако он заметил, что угол между этими двумя изображениями будет столь мал, что их нельзя увидеть по отдельности с помощью наземного телескопа. В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникнет изображение типа кольца, отмечал Хвольсон.

В 1935 этим эффектом заинтересовался ленинградский астроном Гавриил Адрианович Тихов (1875–1960). В январе 1936 он прочитал об этом лекции в Ленинграде и Пулкове, а в 1938 опубликовал в журнале «Природа» статью под названием Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд. По совету чешского инженера Р.Мандла в 1936 Эйнштейн рассмотрел гравитационное действие одной звезды на излучение другой. Он вычислил коэффициент усиления света и пришел к выводу, что в случае, когда обе звезды и наблюдатель находятся на одной прямой, изображение далекой звезды будет иметь форму кольца. Подобно другим теоретикам, Эйнштейн не верил в возможность экспериментального обнаружения эффекта гравитационной линзы в приложении к обычным звездам, поскольку более близкая к наблюдателю звезда-линза мешает своим излучением разглядеть искаженное и слабое изображение более далекой звезды. В своей статье Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле, опубликованной в журнале «Science» в 1936, Эйнштейн писал: «Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление».

Более поздние работы показали, что ситуация со звездой-линзой еще хуже, чем думал Эйнштейн: любое отклонение формы звезды от идеального шара, например, вызванное ее вращением, только затруднит обнаружение эффекта. И все же эффект был обнаружен.

Межгалактические гравитационные линзы.

В 1937 астроном Ф.Цвикки теоретически пришел к выводу, что эффект гравитационной фокусировки света можно наблюдать в том случае, если линзой является галактика, поскольку ее гравитационное поле очень велико, а средняя поверхностная яркость довольно мала и поэтому не должна сильно мешать наблюдению.

В 1979 английские астрономы Д.Волш и др. впервые обнаружили двойной квазар (QSO 0957+16 A,B) с угловым расстоянием между компонентами A и B около 6І. Красное смещение линий в спектрах обоих компонентов оказалось одинаковым. А когда выяснилось, что оба квазара изменяют свой блеск синхронно, астрономы поняли, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту гравитационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу – далекую галактику, лежащую между Землей и квазаром. Так впервые был обнаружен эффект гравитационного линзирования. Предсказание Цвикки подтвердилось.