Земляне открыли крупнейший естественный телескоп во Вселенной

80 лет назад общая теория относительности сдала первый серьезный экзамен. После создания этой, и по сей день самой совершенной теории тяготения, Альберт Эйнштейн подсчитал, насколько сильно притяжение звезд должно отклонять свет. Его результат оказался вдвое больше значения, предсказанного механикой Ньютона. А 29 мая 1919 года при наблюдениях солнечного затмения в Африке английский астроном Артур Эддингтон и его коллеги измерили это видимое смещение звезд. Результат оказался гораздо ближе к предсказаниям теории относительности.

Натуральный телескоп

В выигрыше остались все. Физики получили подтверждение теории Эйнштейна, а астрономы – новый инструмент для искривления лучей света, который назвали гравитационной линзой. И пусть мы пока не можем этот инструмент настраивать, можно надеяться, что в некоторых случаях природа сама выставит линзу удобным для нас способом.

Спустя всего 5 лет после работы Эддингтона профессор Петроградского университета Орест Хвольсон показал, что гравитационные линзы могут не только изменять видимое положение далекого источника света, но и создавать его дополнительное изображение, своего рода мираж. А если источник, линза и наблюдатель находятся на одной прямой, то два изображения и вовсе сливаются в единое светящееся кольцо.

Через 12 лет Эйнштейн независимо повторил этот результат и вычислил яркость и размеры изображений. Оказалось, что массивные тела могут значительно усиливать видимый блеск далеких светил. Впрочем, великий физик не верил, что это явление когда-нибудь пригодится, – по его вычислениям, эффект линзирования звезды на звезде был слишком слаб и слишком маловероятен. Лишь несколькими годами позже астроном Франц Цвикки все-таки придумал, где теория гравитационных линз может найти приложение – хорошими кандидатами в линзы оказались галактики и их скопления.

До обнаружения первой природной линзы (это случилось в 1979 году) Цвикки не дожил, но в наши дни астрономы ими активно пользуются. Если хочешь найти очень далекие светила и тем самым заглянуть в далекое прошлое Вселенной, ищи их за крупным скоплением галактик – в свете, который прошел через него и сфокусировался его притяжением. С помощью таких «естественных телескопов» открыты самые далекие на сегодняшний день объекты, которые испустили свет, когда наша Вселенная была в 20-30 раз моложе, чем сейчас.

Что естественно, то и безобразно

Есть, правда, одна проблема: гравитационные линзы – очень плохие оптические инструменты, по сравнению с которыми даже бутылочное стекло и винные бокалы – вершина мастерства оптиков. Дело в том, что масса в галактических скоплениях распределена крайне неоднородно – вещество имеет тенденцию скучиваться к отдельным галактикам. Не спасает даже то обстоятельство, что большая часть массы – это невидимая темная материя.

Если попытаться сделать обычную стеклянную линзу, равносильную скоплению галактик, она будет похожа не на стеклянный блин с гладкой, точно высчитанной поверхностью, а на вытянутую «кракозябру» с многочисленными утолщениями самых неправильных форм в самых непредсказуемых местах. Более того, глядя на небо, вы имеете очень смутное представление, где в этой линзе толсто, а где тонко, а потому заранее не знаете, насколько и как она искажает вид галактик, на которые вы сквозь нее смотрите.

Неточное искусство

К счастью, за последние 10-15 лет астрономы более или менее научились определять «профиль» гравитационных линз и исправлять искажения. Задача эта точному решению не поддается, и до сих пор сродни искусству. Как и в любом искусстве, в восстановлении формы линз есть разные течения и стили. Они отличаются набором допущений и предположений, с которых ученые начинают свою работу, и алгоритмом поиска наилучшего решения.

Одну из таких методик разработали аспирант Тель-Авивского университета Ади Цитрин и его научный руководитель Том Броадхерст. Конек их алгоритма – умение определить по имеющейся модели, где в скоплении вероятно встретить новые кратные изображения и, если они там действительно найдутся, использовать их для дальнейшего уточнения модели.

Этот метод уже успел показать свою эффективность в нескольких случаях, и скопление MACS J1149.5+2223 должно было стать одной из последних остановок на пути Цитрина к защите своей диссертации. Однако именно в MACSJ1149, расположенном примерно в 5,3 миллиарда световых лет от нас в направлении на созвездие Льва, исследователей ждала неожиданная, но очень важная находка. Приятный сюрприз описывается в статье, которая вскоре выйдет в журнале Astrophysical Journal Letters, а пока доступна в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Самая большая линза

Изображения MACS J1149, с которыми работали ученые, удалось получить при помощи Улучшенной камеры для обзоров (ACS) телескопа имени Хаббла еще до ее поломки в рамках совершенно независимой программы исследования массивных галактических скоплений. Загрузив эти данные из архива, Цитрин и Броадхерст обратили внимание на две огромные спиральные галактики, выделявшиеся на фоне скопления своим голубым цветом (см. иллюстрацию).

[v2] Как признался Ади Цитрин в интервью Infox.ru, только наметанный глаз его руководителя смог распознать в галактиках, разделенных 30 угловыми секундами, два изображения одного и того же объекта. Но как только догадка мелькнула, проверить ее оказалось очень просто: об идентичности двух объектов очень убедительно говорит повторяющийся, пусть и в слегка искаженном виде, рисунок ярких областей ионизованного водорода в спиральных рукавах галактики.

Восстанавливая распределение массы в скоплении и истинный внешний вид источника, астрономы наткнулись на три других его миража, оказавшихся на снимках «Хаббла» в том месте и в том виде, какие сходу предсказал алгоритм. Попутно обнаружились кратные изображения нескольких еще более далеких галактик, которые, в свою очередь, помогли улучшить модель.

[v3] Выяснилось, что огромная спираль – в реальности очень небольшая галактика размером меньше одной угловой секунды; она находится в 1,5-2 раза дальше, чем MACS J1149. Однако тяготение скопления не только пятикратно размножило эту галактику, но и увеличило сами изображения. Крупнейшее из них превосходит оригинал в 8-9 раз по размеру и почти в 70 раз по площади, а суммарное увеличение (его считают как раз по отношению площадей изображений и оригинала) составляет около 200. Это «самая увеличенная» галактика, известная науке – иными словами, самый мощный «естественный телескоп», открытый к настоящему времени.

Сила и точность

Как выяснили Цитрин и Броадхерст далее в ходе работы, этот гравитационный телескоп не только самый мощный, но и обладает практически совершенной оптикой. В центральной части скопления его плотность практически постоянна в пределах широкой области площадью в тысячи угловых секунд. Источник, попавший сюда, будет виден многократно увеличенным и при этом почти без искажений.

[v4] А значит, именно на MACS J1149 должны смотреть астрономы, если хотят найти самые далекие объекты из раннего прошлого Вселенной. Осталось лишь направить сюда телескоп и сделать длинную экспозицию, собирая самые крохотные крупинки света. Собственно, именно это и собираются сделать Ади Цитрин и Том Броадхерст.

«Теперь, когда «Хаббл» отремонтирован, мы надеемся пробить специальную программу получения глубоких снимков самых мощных скоплений-линз», -- признались ученые в интервью Infox.ru. Они надеются, что программа впишется в рамки «привилегированного» проекта «Сокровищница Хаббла» (Hubble Treasury). Скопление MACS J1149 должно стать одним из ее главных сокровищ.

Такие наблюдения помогут разрешить и еще один вопрос. MACS J1149 – очередной пример подозрительно сильной гравитационной линзы. Если верить современной теории формирования галактических скоплений, сильные гравитационные линзы должны встречаться гораздо реже, чем показывают наблюдения. В некоторых случаях ситуацию могло бы спасти предположение, что мы видим вытянутое скопление с торца, и его избыточная сила объединяет мощность нескольких слоев, выстроившихся вдоль луча зрения. Но, во-первых, такая ориентация должна встречаться относительно редко, а во-вторых, MACS J1149.5+2223 совсем не похоже на структуру, видимую с торца; скорее, наоборот, оно вытянуто в картинной плоскости. Что дает этому на удивление совершенному космическому телескопу и другим, менее совершенным, линзам их силу – загадка.