Астрономы живут в золотой век больших и совершенных телескопов. Но даже наши самые передовые технологии меркнут по сравнению с мощью «космических увеличительных стёкол» природы — сильных гравитационных линз.
Менее чем за 50 лет мы прошли путь от первого в истории открытия сильной гравитационной линзы до обнаружения тысяч таких линз. С запуском новых телескопов мы ожидаем обнаружить ещё тысячи.
С помощью этих линз мы можем заглянуть глубоко во Вселенную и приоткрыть завесу над самыми загадочными современными космическими тайнами: тёмной материей и тёмной энергией.
Что такое гравитационные линзы и как они работают?
Гравитационные линзы — это наиболее визуально впечатляющая демонстрация теорий гравитации Альберта Эйнштейна. Согласно Эйнштейну, масса искривляет и деформирует саму ткань пространства, подобно тому как тяжёлая шар для боулинга, положенная на матрас, прогибает матрас под собой.
Всё, что имеет массу (вы, я, лист, атом), искривляет пространство-время таким образом. Но только когда объект действительно массивный — например, целые галактики и скопления галактик, — этот эффект становится очевидным. Когда свет идёт от далёких объектов и проходит мимо этих массивных галактик, искривлённое пространство-время вокруг них преломляет и фокусирует этот свет, увеличивая его для нашего наблюдения.
Мы не всегда находимся в нужном месте, чтобы увидеть этот эффект. Подобно тому как вам нужно расположить увеличительное стекло перед глазом, мы наблюдаем эффект гравитационного линзирования только тогда, когда есть случайное совпадение фонового объекта, линзы на переднем плане и нас.
В редких случаях, когда это происходит, в наши телескопы мы видим несколько искажённых, но увеличенных версий объекта, который в противном случае мы не смогли бы увидеть из-за его слабой яркости.
Даже Эйнштейн не мог предсказать, насколько важными станут гравитационные линзы для современной астрономии. На самом деле он считал их невозможными для наблюдения. Это было связано с тем, что Эйнштейн думал о гравитационном линзировании вокруг отдельных звёзд, а не галактик. Только спустя десятилетия астрономы осознали, насколько массивны галактики и сколько их в нашей Вселенной.
Впечатляет, что гравитационные линзы также могут раскрывать подробности о вещах, которые мы вообще не можем увидеть. Теории предсказывают, что около 85% материи, составляющей Вселенную, — это невидимая субстанция, называемая тёмной материей. То, как гравитационная линза преломляет и искривляет свет, позволяет нам измерить количество материи в галактиках — не только обычной материи, которую мы можем увидеть, но и тёмной материи.
Гравитационные линзы также помогают нам составлять карты скоплений галактик по всей Вселенной, помогая нам понять её форму. Вселенная идеально плоская, как лист бумаги? Или у неё есть кривизна, как у сферы, или она расширяется, как седло лошади? Это зависит от плотности Вселенной, и составление карт скоплений галактик помогает нам измерить плотность гипотетической силы, известной как тёмная энергия.
Гравитационные линзы обычно делают фоновые объекты в 10–100 раз ярче, чем они были бы в противном случае. Этот эффект обеспечивает высокоточное изображение далёкой Вселенной.
Космический телескоп Джеймса Уэбба использует это увеличение, чтобы заглянуть в то, какой была Вселенная в младенчестве более 13 миллиардов лет назад, вскоре (300 миллионов лет) после Большого взрыва.
Глядя далеко в прошлое, мы можем понять, как сформировалась наша собственная небесная обитель — галактика Млечный Путь, и как она может измениться в будущем.
Однако гравитационные линзы редки — сродни иголке в стоге космического масштаба. Чтобы найти их, нам нужны высококачественные изображения больших участков ночного неба.
В этом году ожидается, что два новых проекта по наблюдению за небом произведут революцию в этой области: космический телескоп Европейского космического агентства Euclid и обсерватория Веры Рубин в Чили.
Euclid, который был запущен в 2023 году и ранее в этом году выпустил первую порцию данных, будет снимать одну треть всего неба с ясностью, которую можно получить только из космоса.
В свою очередь, обсерватория Веры Рубин будет работать с Земли, но будет снимать всё южное полушарие неба. Она создаст наиболее детальный покадровый вид космоса.
За время существования Euclid и обсерватории Веры Рубин ожидается обнаружить 100 000 новых гравитационных линз, что в 100 раз больше, чем мы знаем сейчас.
Как найти эти 100 000 гравитационных линз среди миллиардов галактик, наблюдаемых этими телескопами? Учёным не под силу самостоятельно просмотреть столько изображений. Вместо этого Euclid полагается на гражданскую науку, чтобы помочь обучить модели искусственного интеллекта, которые будут знать, что искать.
От отдельных линз, предоставляющих уникальные новые сведения об отдалённых галактиках, до изучения эффекта на больших статистических выборках для понимания самой природы Вселенной — гравитационные линзы делают всё. Они — швейцарский нож в наборе инструментов астронома, и мы скоро будем избалованы выбором.