Astronet > Gravitacionnoe mikrolinzirovanie i problema skrytoi massy

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Gravitacionnoe mikrolinzirovanie i problema skrytoi massy

A.M.ChEREPAShUK

Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova

Gosudarstvennyi astronomicheskii institut im. P.K. Shternberga, Moskva

Svyshe 90% massy Vselennoi nahoditsya v skrytoi, nenablyudaemoi forme. Obnaruzhit' nositelei etoi skrytoi massy mozhno po gravitacionnomu mikrolinzirovaniyu, kogda v rezul'tate iskrivleniya luchei sveta dalekoi zvezdy v gravitacionnom pole temnogo tela blesk zvezdy sil'no vozrastaet. Chislo takih sobytii mikrolinzirovaniya, kotorye udalos' nablyudat', prevyshaet 50.

Vvedenie

Do poslednego vremeni bylo ochevidno, chto o 9/10 materii vo Vselennoi my nichego ne znaem, poskol'ku ona, krome gravitacionnogo vzaimodeistviya, nikak ne proyavlyaet sebya. Vsevozrastayushee chislo nablyudatel'nyh dannyh svidetel'stvovalo o tom, chto kakaya-to zagadochnaya temnaya materiya, ot kotoroi my ne registriruem nikakih izluchenii, zapolnyaet Vselennuyu i opredelyaet dvizhenie tel. V nauke byli sluchai, kogda astronomicheskie nablyudeniya operezhali laboratornye issledovaniya. Naprimer, izvestnyi himicheskii element gelii vpervye byl obnaruzhen v spektre Solnca po harakternym liniyam poglosheniya i lish' zatem v zemnyh laboratoriyah. No gelii sostavlyaet lish' okolo 25% po masse ot nablyudaemogo veshestva vo Vselennoi. Seichas zhe astronomiya utverzhdaet, chto nenablyudaemaya forma materii (nazyvaemaya skrytoi massoi) sostavlyaet svyshe 90% vsei massy vo Vselennoi, a ta materiya, kotoruyu my nablyudaem, - eto vsego lish' malaya dobavka (menee 10%). Uchenym ochen' neuyutno soznavat' takuyu ogromnuyu meru neznaniya, poetomu seichas my yavlyaemsya svidetelyami yarostnoi ataki na problemu skrytoi massy. I teoretiki i nablyudateli izobretayut ostroumnye gipotezy i hitroumnye eksperimenty, chtoby proyasnit', chto zhe eto takoe skrytaya massa. I kazhetsya, za poslednie 2-3 goda v etoi zhivotrepeshushei probleme nametilsya oshutimyi progress. O rezul'tatah noveishih nablyudatel'nyh issledovanii prirody skrytoi massy my i hotim rasskazat' v nashei stat'e.

Nablyudatel'nye svidetel'stva skrytoi massy vo vselennoi

Pervye upominaniya o vozmozhnom nalichii skrytoi massy otnosyatsya eshe k nachalu 40-h godov nashego stoletiya. Svyazany oni s izucheniem vrasheniya nashei i drugih galaktik, a takzhe s issledovaniem skorostei galaktik v skopleniyah. Nablyudaya raspredelenie zvezd, gaza i pyli v galaktikah, mozhno sudit' o raspredelenii massy vidimoi materii v nih, ispol'zuya, naprimer, horosho izvestnuyu zavisimost' massa-svetimost' dlya zvezd. Etomu raspredeleniyu massy mozhno postavit' v sootvetstvie vpolne opredelennyi zakon vrasheniya zvezd i gaza v galaktike. V chastnosti, esli zvezdy vrashayutsya vokrug centra galaktiki po krugovym orbitam (chto yavlyaetsya razumnym predpolozheniem), a osnovnaya chast' zvezd sosredotochena v ob'eme radiusom r₀ , to zvezdy za predelami etogo ob'ema dolzhny vrashat'sya vokrug centra galaktiki po keplerovskomu zakonu, opredelyaemomu ravenstvom sily gravitacionnogo prityazheniya i centrostremitel'noi sily:

$\frac{GM(r_{0})m}{r^{2}}={mV^{2}}{r}\,,$

(1)

gde M(r₀) - massa central'noi chasti galaktiki, G - gravitacionnaya postoyannaya, m i V - sootvetstvenno massa i skorost' zvezdy.

Iz uravneniya (1) sleduet, chto pri otsutstvii skrytoi massy na dostatochno bol'shih rasstoyaniyah ot centra galaktiki skorost' vrasheniya zvezd i gaza dolzhna podchinyat'sya zakonu

V(r) ~ r^-1/2,

(2)

to est' ubyvat' s rasstoyaniem ot centra obratno proporcional'no kvadratnomu kornyu iz rasstoyaniya. V podavlyayushem bol'shinstve sluchaev, v tom chisle i dlya nashei Galaktiki, zakon vrasheniya(2) ne soblyudaetsya, prichem vsegda skorost' vrasheniya nablyudaemyh zvezd i gaza v galaktikah ubyvaet gorazdo medlennee s rasstoyaniem, chem po zakonu $1/\sqrt{r}$ , a vo mnogih sluchayah V(r) = const dlya rasstoyanii vo mnogie desyatki kiloparsek ot centra galaktiki. Vyvod iz takogo nablyudatel'nogo fakta mozhet byt' tol'ko odin (esli, konechno, ne otkazyvat'sya ot fundamental'nyh zakonov fiziki): nablyudaemye zvezdy i gaz v galaktikah pogruzheny v protyazhennuyu massivnuyu sredu s razmerami mnogo bol'she, chem harakternye razmery vidimoi oblasti galaktiki. Inymi slovami, uravnenie (1) dlya vsei vidimoi chasti galaktiki neprimenimo, poskol'ku velichina radiusa r₀ bol'she razmerov vidimoi galaktiki. Analiz otklonenii zakonov raspredeleniya skorostei vrasheniya v galaktikah ot zakona $1/\sqrt{r}$ privodit k vyvodu o tom, chto v skrytoi, nenablyudaemoi forme nahoditsya svyshe 90% vsei massy (!).

Vtoroe svidetel'stvo sushestvovaniya skrytoi massy sleduet iz izucheniya skorostei dvizheniya galaktik kak celogo v galakticheskih skopleniyah. V fizike horosho izvestna teorema viriala, utverzhdayushaya, chto dlya stacionarnoi gravitiruyushei sistemy summa polnoi potencial'noi energii U i udvoennoi polnoi kineticheskoi energii E_k dolzhna ravnyat'sya nulyu:

U + 2E_k = 0.

(3)

Poskol'ku v sluchae kvazisfericheskogo skopleniya gravitacionnaya potencial'naya energiya skopleniya galaktik U po poryadku velichiny sostavlyaet - GM² / R (M - polnaya massa skopleniya, R - ego radius), a polnaya srednyaya kineticheskaya energiya postupatel'nogo dvizheniya galaktik v skoplenii $E_{k}=M\overline{\upsilon^{2}}/2$ ( $\overline{\upsilon^{2}}$ - srednee znachenie kvadrata skorosti galaktik v sisteme pokoya skopleniya), to iz formuly (3) sleduet

$M \approx \frac{\overline{\upsilon^{2}} R}{G}$

(4)

Esli iz nablyudenii izvestny $\overline{\upsilon^{2}}$ i R (a dlya mnogih skoplenii ih mozhno opredelit'), to po formule (4) mozhno ocenit' massu skopleniya galaktik, kotoruyu prinyato nazyvat' dinamicheskoi ili virial'noi massoi skopleniya. Okazalos', chto dlya bol'shinstva skoplenii galaktik dinamicheskaya massa, ocenennaya po formule (4), v desyatki raz (!) prevoshodit vidimuyu massu skopleniya, opredelennuyu pryamym podschetom nablyudaemyh galaktik skopleniya. Takim obrazom, vyvod o tom, chto svyshe 90% materii nahoditsya v skrytoi, nenablyudaemoi forme, podtverzhdaetsya nezavisimymi issledovaniyami dvizhenii galaktik v skopleniyah: galaktiki zdes' dvizhutsya slishkom bystro (V $\geq$ 1000 km/s), bystree, chem eto sleduet iz ocenki massy vidimogo veshestva skopleniya, kotoraya poluchaetsya summirovaniem mass galaktik, ocenennyh po zavisimosti massa-svetimost'. O nalichii skrytoi massy svidetel'stvuyut takzhe obnaruzhenie goryachego (T = (3-10) $\cdot$ 10⁷ K, n_e > 10^{- 3} sm^{- 3}) gaza v skopleniyah galaktik, effekty gravitacionnogo linzirovaniya dalekih galaktik i kvazarov bolee blizkimi skopleniyami galaktik i drugie nablyudatel'nye dannye. Nekotorye teoreticheskie problemy (naprimer, problema formirovaniya krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi, kosmologicheskie problemy, svyazannye s ob'yasneniem otkrytyh nedavno prostranstvennyh fluktuacii reliktovogo mikrovolnovogo fona, i t.p.) takzhe trebuyut dlya svoego resheniya privlecheniya skrytoi massy.

Takim obrazom, vopros o prirode skrytoi massy vo Vselennoi nazrel ochen' ostro. Sushestvuyut gipotezy o nositelyah skrytoi massy. Prezhde vsego yasno, chto skrytaya massa - eto ne gaz. Ocenki massy goryachego ionizovannogo gaza v skopleniyah galaktik po ego rentgenovskomu izlucheniyu pokazyvayut, chto eta massa sostavlyaet vsego lish' okolo 10% dinamicheskoi massy skoplenii, to est' massa goryachego gaza togo zhe poryadka, chto i nablyudaemaya massa, zaklyuchennaya v galaktikah. Ocenki massy neitral'nogo vodoroda v galaktikah, vypolnennye radioastronomicheskimi metodami po nablyudeniyam v linii 21 sm, takzhe otvergayut gaz kak nositel' skrytoi massy. V nastoyashee vremya v kachestve nositelei skrytoi massy rassmatrivayutsya dva klassa ob'ektov. Pervyi klass predskazyvaetsya teoriei evolyucii zvezd i predstavlyaet soboi nebesnye tela, sostoyashie v osnovnom iz barionnoi formy materii (sil'no vzaimodeistvuyushih elementarnyh chastic s polucelym spinom - neitronov, protonov i t.p.), i nazyvaetsya MASNO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Etot klass ob'ektov vklyuchaet v sebya malomassivnye ( $M < 0,1M_{\odot}$ ) i potomu slabo svetyashiesya zvezdy, tak nazyvaemye korichnevye karliki (zvezdy s massoi menee 0,08 , v $M_{\odot}$ nedrah kotoryh nikogda ne zazhigayutsya termoyadernye reakcii), belye karliki, planety s massami ot 10^{- 5} do 10^{- 3} $M_{\odot}$ , neitronnye zvezdy v neaktivnoi stadii (bez fenomena pul'sara), chernye dyry.

Vtoroi klass ob'ektov predskazyvaetsya teoriei obrazovaniya Vselennoi (inflyacionnaya stadiya i goryachaya stadiya - Bol'shoi vzryv), kotoraya predskazyvaet rozhdenie na rannih stadiyah obrazovaniya Vselennoi ochen' slabo vzaimodeistvuyushih elementarnyh chastic s neravnoi nulyu massoi pokoya, tak nazyvaemyh WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). K etomu klassu mogut prinadlezhat' neitrino, neitralino, fotino, gravitino, aksiony, kosmicheskie struny i t.p. Vazhno otmetit', chto, kak sleduet iz teorii nukleosinteza na rannih stadiyah obrazovaniya Vselennoi, dolya srednei plotnosti barionnoi komponenty veshestva vo Vselennoi po otnosheniyu k srednei plotnosti nebarionnoi (WIMPs) sostavlyaet vsego ~ 0,04. V to zhe vremya dolya srednei plotnosti vidimogo veshestva po otnosheniyu k polnoi srednei plotnosti Vselennoi dolzhna sostavlyat' lish' ~ 0,002.

Sredi etogo spiska pretendentov na nositelei skrytoi massy est' bolee ili menee predpochtitel'nye ob'ekty, odnako okonchatel'nyi otvet na vopros o tom, iz chego sostoit skrytaya massa, dolzhny dat' nablyudeniya. No kak nablyudat' nevidimuyu, skrytuyu materiyu? Okazyvaetsya, shedraya priroda, postavlyaya nam trudnye zadachi, v to zhe vremya daet i shansy dlya ih resheniya.

Kak nablyudat' skrytuyu massu?

Dlya nablyudenii skrytoi massy ispol'zuetsya tot fakt, chto ona obladaet gravitacionnym polem, v kotorom, kak izvestno iz obshei teorii otnositel'nosti (OTO), put' luchei sveta iskrivlyaetsya. Effekt iskrivleniya puti luchei sveta dalekoi zvezdy v gravitacionnom pole Solnca davno izvesten i na krayu Solnca sostavlyaet ~1,"75.Iskrivlenie luchei sveta v gravitacionnom pole analogichno deistviyu linzy na svetovye luchi. Poetomu vozniklo ponyatie gravitacionnoi linzy - gravitiruyushego ob'ekta, sozdayushego putem iskrivleniya luchei sveta izobrazheniya ("duhi") dalekogo ob'ekta (kvazara, galaktiki). Vazhno otmetit', chto pri etom blesk "duhov" mozhet byt' mnogo bol'she bleska samoi linziruemoi galaktiki. Izvestny desyatki "duhov" dalekih galaktik i kvazarov, kotorye obrazovalis' v rezul'tate gravitacionnogo linzirovaniya ih sveta bolee blizkimi galaktikami ili skopleniyami galaktik. Naprimer, horosho izvestnyi dvoinoi kvazar QSO 0957+561, otkrytyi v 1979 godu amerikanskimi uchenymi D. Velshem, R.F. Kasvellom i R.Dzh. Veimannom. Osobenno vpechatlyayushi poluchennye nedavno na kosmicheskom teleskope im. Habbla izobrazheniya skoplenii dalekih galaktik, imeyushih vid koncentricheskih dug i sformirovannyh v rezul'tate gravitacionnogo linzirovaniya ih sveta bolee blizkimi skopleniyami galaktik. Reshaya obratnuyu zadachu mozhno, issleduya "duhi" skoplenii galaktik, vosstanovit' ih istinnye izobrazheniya i dazhe ocenit' raspredelenie massy v gravitacionnoi linze - skoplenii galaktik. Imenno pri takih issledovaniyah poluchaetsya dopolnitel'nyi vyvod o neobhodimosti sushestvovaniya skrytoi massy v skopleniyah galaktik. Takim obrazom, yavleniya gravitacionnyh linz uzhe horosho izvestny v mire galaktik i kvazarov (ris. 1). Neobhodimo otmetit', chto o bol'shom znachenii dlya nauki effekta gravitacionnoi linzy pisal eshe v 1936 godu A. Einshtein i v 60-h godah rossiiskie uchenye P.V. Blioh i A.A. Minakov, A.V. Byalko, a takzhe amerikanec S. Libs, norvezhec S. Refsdal i dr.

Ris. 1.Izobrazhenie Kresta Einshteina - chetyreh "duhov" dalekoi galaktiki, obrazovannyh v rezul'tate ee gravitacionnogo linzirovaniya bolee blizkoi galaktikoi s nesfericheski-simmetrichnym raspredeleniem massy. Izobrazhenie polucheno sotrudnikami GAISh MGU s pomosh'yu PZS-priemnika izlucheniya, ustanovlennogo v fokuse 1,5-m teleskopa AZT-22 Vysokogornoi Maidanakskoi observatorii v Uzbekistane. Uglovoi razmer kazhdoi iz komponent Kresta Einshteina menee

Pol'skii uchenyi B. Pachinskii, rabotayushii v SShA, v 1986 godu vyskazal zamechatel'nuyu ideyu ispol'zovat' dlya vyyavleniya nositelei skrytoi massy effekt gravitacionnogo mikrolinzirovaniya zvezd blizhaishih galaktik temnymi telami nashei Galaktiki. Mikrolinzirovanie zvezd otlichaetsya ot linzirovaniya dalekih galaktik tem, chto nevozmozhno razdel'no nablyudat' "duhi", tak kak ih uglovoe razdelenie ochen' malo (poryadka 0,"001).Odnako pri mikrolinzirovanii mozhno nablyudat' izmenenie bleska linziruemoi zvezdy, vyzvannoe otnositel'nym peremesheniem zvezdy, linzy i nablyudatelya. B. Pachinskii, proanalizirovav krivuyu vrasheniya V(r) nashei Galaktiki, vyskazal gipotezu, chto Galaktika obladaet sfericheskoi podsistemoi (galo), kotoraya mozhet byt' zapolnena nesvetyashimisya telami MACHO s massami ot 10^{- 8} do 10² $M_{\odot}$ : neitronnymi zvezdami, chernymi dyrami, korichnevymi karlikami i kosmicheskimi telami vplot' do tel s massoi Yupitera i men'she. Chislo etih temnyh tel v galo Galaktiki, soglasno ocenke B. Pachinskogo, dolzhno byt' ves'ma veliko, tak chto veroyatnost' togo, chto zvezda blizhaishei galaktiki (naprimer, Bol'shogo Magellanova oblaka - BMO) pochti tochno sproektiruetsya na temnoe telo, sostavlyaet poryadka 10^{- 6}. Hotya eta veroyatnost' ves'ma mala, no esli nablyudat' odnovremenno milliony zvezd BMO s pomosh'yu panoramnyh priemnikov izlucheniya (fotoplastinka, PZS-matrica), to mozhno nadeyat'sya dostatochno chasto registrirovat' vspyshki zvezd, obuslovlennye effektom mikrolinzirovaniya. Po dlitel'nosti i chastote takih sobytii mozhno sudit' o vklade temnyh tel galo Galaktiki v polnuyu massu nevidimogo veshestva. Eta nablyudatel'naya zadacha byla postavlena B. Pachinskim, i ee reshenie neskol'kimi gruppami uchenyh privelo v poslednie gody k opredeleniyu parametrov konkretnyh temnyh tel galo Galaktiki.

Mikrolinzirovanie

Rassmotrim osnovnye principy sozdaniya izobrazhenii v gravitacionnoi linze - tele so sfericheski-simmetrichnym raspredeleniem massy. Na ris. 2a, bukvoi D oboznachena gravitacionnaya linza (ili, kak ee eshe nazyvayut, deflektor), S - zvezda fona, bukvoi O otmecheno polozhenie nablyudatelya. Ugol mezhdu napravleniem na deflektor i istinnoe polozhenie zvezdy S oboznachim cherez $\theta$ , ugol mezhdu napravleniem na deflektor i "duh" I₁ ili I₂ - cherez ili sootvetstvenno.

Ris. 2. a) - iskrivlenie luchei sveta dalekoi zvezdy S v gravitacionnom pole tochechnoi massy D. Ukazany harakternye ugly (sm. tekst); b) - raspolozhenie deflektora D, zvezdy S i "duhov" I₁ i I₂ na kartinnoi ploskosti. Zdes' $\theta_{0}$ - uglovoi radius konusa Einshteina

V proekcii na kartinnuyu ploskost' izobrazhenie kartiny linzirovaniya predstavleno na ris. 2b. Zdes' D - deflektor, S - zvezda,I⁽¹⁾₁ i I⁽²⁾₂- "duhi" - izobrazheniya zvezdy S, obrazovannye vsledstvie iskrivleniya luchei sveta ot zvezdy S v pole tyazhesti deflektora D. Dva lucha, proshedshie po raznye storony ot tyagoteyushego tela D, budut otkloneny ot pervonachal'nyh napravlenii. Esli zvezda S nahoditsya dostatochno daleko ot deflektora D, to luchi nachnut shodit'sya i peresekutsya v nekotoroi udalennoi tochke O, kuda pomeshen nablyudatel'. Ugol otkloneniya lucha sveta zvezdy S v gravitacionnom pole deflektora (v radianah) raven 2r_g / r - udvoennomu otnosheniyu velichiny gravitacionnogo radiusa deflektora r_g = 2GM / c² k pricel'nomu rasstoyaniyu r zvezdy S po otnosheniyu k centru deflektora. Iz geometricheskih soobrazhenii mozhno napisat' uravnenie, svyazyvayushee osnovnye ugly:

$\theta_{1}^{2} -\theta \theta_{1} - \theta_{0}^{2}=0\,.$

(5)

Zdes' $\theta_{0}$ - uglovoi radius tak nazyvaemogo konusa Einshteina:

$\theta_{0}^{2}= \frac{4Gm}{c^{2}} \frac{L_{SD}}{(L_{SD} +L_{OD})L_{OD}}\,,$

(6)

gde M - massa deflektora, c - skorost' sveta, G - gravitacionnaya postoyannaya, L_SD - rasstoyanie ot zvezdy do deflektora, L_OD - rasstoyanie ot nablyudatelya do deflektora.

Kvadratnoe uravnenie (5) imeet dva deistvitel'nyh kornya $\theta_{1}^{(1)}$ i $\theta_{2}^{(2)}$ , sootvetstvuyushih dvum izobrazheniyam istochnika S. Pri etom ploshad' pervogo izobrazheniya (v steradianah) opredelyaetsya kak

$\Omega_{1}=\pi \varphi_{s}^{2} \left(\frac{1}{2} + \frac{u}{4} + \frac{1}{4u} \right)\,,$

a ploshad' vtorogo izobrazheniya

$\Omega_{2}=\pi \varphi_{s}^{2} \left( - \frac{1}{2} + \frac{u}{4} + \frac{1}{4u} \right)\,,$

gde $\varphi_{s}$ - uglovoi radius zvezdy,

$u=\sqrt{1+ \frac{4 \theta_{0}^{2}}{\theta^{2}}}\,.$

Razmery i yarkost' dvuh "duhov" budut raznymi, no ih summarnyi blesk bol'she bleska nelinzirovannogo istochnika S :

$\Omega_{1} + \Omega_{2} = \pi \varphi_{s}^{2} \cdot \frac{1}{2} \left(u + \frac{1}{u} \right) > \pi \varphi_{s}^{2}\,.$

Sootvetstvuyushii koefficient usileniya bleska zvezdy

$A= \frac{\Omega_{1} + \Omega_{2}}{\pi \varphi_{s}^{2}} = \frac{1}{2} \left(u + \frac{1}{u} \right)\,.$

(7)

Pri bol'shih znacheniyah A mozhno priblizhenno zapisat':

$A \approx \frac{\theta_{0}}{\theta}\,,$

(8)

to est' koefficient usileniya v etom sluchae prosto raven otnosheniyu uglovogo radiusa konusa Einshteina k uglovomu rasstoyaniyu mezhdu deflektorom i istinnym polozheniem zvezdy S. Pri strogo soosnom raspolozhenii zvezdy fona i deflektora vmesto dvuh izobrazhenii I₁ i I₂ zvezdy S v kartinnoi ploskosti obrazuetsya yarkoe kol'co radiusom $\theta_{0}$ , imenuemoe kol'com ili konusom Einshteina. Koefficient usileniya A v etom sluchae zapisyvaetsya kak

$A \approx \frac{2 \pi \theta_{0} \varphi_{s}}{\pi \varphi_{s}^{2}}=\frac{2 \theta_{0}}{\varphi_{s}}\,.$

Radius konusa Einshteina $\theta_{0}$ priblizitel'no proporcionalen kvadratnomu kornyu iz otnosheniya massy deflektora M k rasstoyaniyu do nego. Poetomu dlya massy galaktiki na tipichnom mezhgalakticheskom rasstoyanii uglovoe rasstoyanie mezhdu "duhami" I₁ i I₂ sostavlyaet neskol'ko uglovyh sekund, a dlya massy deflektora poryadka massy Solnca i rasstoyaniya do nego ~10 kpk (harakternogo dlya galo Galaktiki) rasstoyanie mezhdu "duhami" I₁ i I₂ sostavlyaet velichinu poryadka uglovoi millisekundy.

Nablyudat' dva izobrazheniya galaktik ili kvazarov, razdelennyh uglovym rasstoyaniem v neskol'ko sekund dugi, vpolne vozmozhno dazhe nazemnymi sredstvami. Nablyudat' zhe dva izobrazheniya, razdelennye rasstoyaniem 0,"001, s Zemli nevozmozhno. Poetomu effekt mikrolinzirovaniya nablyudayut po izmeneniyu bleska zvezdy S.

Nablyudatel' O, deflektor D i zvezda polya S obladayut nekotorymi skorostyami, i v rezul'tate zvezda polya S dvizhetsya otnositel'no D s nekotoroi rezul'tiruyushei uglovoi skorost'yu. Pri etom pricel'nyi parametr $\theta$ i kak sledstvie koefficient usileniya yavlyayutsya peremennymi velichinami. Dvizhenie zvezdy S v kartinnoi ploskosti cherez konus Einshteina pokazano na ris. 3. Zdes' napravlenie istinnogo dvizheniya pomecheno shtrihovoi liniei, a vidimoe dvizhenie dvuh "duhov" I₁, I₂ - sploshnymi liniyami. Napravlenie dvizheniya zvezdy S pomecheno strelkoi i v predelah konusa Einshteina mozhet rassmatrivat'sya kak pryamolineinoe. Napravlenie dvizheniya izobrazheniya I₁ sovpadaet s napravleniem istinnogo dvizheniya zvezdy S, a napravlenie izobrazheniya I₂ obratnoe.

Ris. 3. Istinnoe dvizhenie istochnika S (punktir) i vidimye dvizheniya "duhov" I₁ i I₂ cherez konus Einshteina radiusom $\theta_{0}$

Radius konusa Einshteina dlya deflektora s massoi ~1 $M_{\odot}$ , udalennogo ot Zemli na rasstoyanie ~10 kpk, sostavlyaet poryadka odnoi tysyachnoi sekundy dugi.

Esli prostranstvennaya skorost' deflektora ~ 300 km/s (tipichnye skorosti v galo nashei Galaktiki), vremya peresecheniya konusa Einshteina sostavlyaet okolo odnogo mesyaca. Takim zhe yavlyaetsya harakternoe vremya izmeneniya bleska pri mikrolinzirovanii. Mozhno provesti perpendikulyar DC iz deflektora D k istinnoi traektorii S. Sleva i sprava ot etogo perpendikulyara kartiny identichny. Poetomu krivaya bleska pri mikrolinzirovanii odinochnoi zvezdy S yavlyaetsya simmetrichnoi otnositel'no momenta vremeni, kogda S prohodit cherez tochku C (maksimum koefficienta usileniya A i sootvetstvenno maksimum bleska). Krome togo, vvidu nezavisimosti ugla otkloneniya fotona v gravitacionnom pole ot ego energii (ili chastoty) krivaya bleska pri mikrolinzirovanii tochechnogo istochnika ne dolzhna zaviset' ot dliny volny $\lambda$ .

Itak, sushestvuyut dva vazhnyh priznaka, pozvolyayushie otlichit' krivuyu bleska zvezdy pri mikrolinzirovanii ot krivoi bleska obychnoi peremennoi zvezdy: pri mikrolinzirovanii krivaya bleska dolzhna byt' strogo simmetrichnoi otnositel'no svoego maksimuma (esli prenebrech' parallakticheskim smesheniem zvezdy i deflektora, obuslovlennym dvizheniem Zemli po orbite vokrug Solnca) i ne dolzhna zaviset' ot dliny volny.

Pervye rezul'taty nablyudenii effektov mikrolinzirovaniya

Po rekomendacii B. Pachinskogo s 1991 goda poisk effektov mikrolinzirovaniya zvezd BMO temnymi telami galo nashei Galaktiki nachalsya dvumya gruppami uchenyh. Gruppa amerikanskih i avstraliiskih uchenyh nazvala svoi eksperiment MASNO. Nablyudeniya provodilis' na observatorii Mount Stromlo v Avstralii, vblizi Kanberry. Ispol'zovalsya teleskop s zerkalom diametrom ~1,27 m, v fokuse kotorogo ustanovlen panoramnyi fotoelektricheskii priemnik - PZS-matrica, pozvolyayushaya odnovremenno registrirovat' i analizirovat' s pomosh'yu komp'yutera blesk okolo milliona zvezd. Gruppa francuzskih i chiliiskih uchenyh nazvala svoi eksperiment EROS. Nablyudeniya provodilis' v Chili na shirokougol'nom 50-sm teleskope sistemy Shmidta vnachale s pomosh'yu fotograficheskoi metodiki, a zatem s pomosh'yu fotoelektricheskogo PZS-priemnika izlucheniya. Obe gruppy nablyudali neskol'ko millionov zvezd na protyazhenii dvuh let i prakticheski odnovremenno v odnom tome mezhdunarodnogo zhurnala "Nature" opublikovali pervye rezul'taty nablyudenii yavlenii mikrolinzirovaniya zvezd BMO temnymi telami galo nashei Galaktiki. Okazalos', chto blesk neskol'kih zvezd BMO ispytal rezkii (primerno ot treh do shesti raz) pod'em i padenie. Krivye bleska ne zaviseli ot dliny volny, byli strogo simmetrichny i imeli harakternuyu prodolzhitel'nost' izmenenii bleska poryadka odnogo mesyaca (ris. 4, 5).

Ris. 4. Izobrazheniya zvezdnogo polya v Bol'shom Magellanovom oblake (BMO), poluchennye gruppoi MASNO do poyavleniya effekta mikrolinzirovaniya (a), v moment mikrolinzirovaniya zvezdy BMO temnym telom galo nashei Galaktiki (b ) i posle mikrolinzirovaniya (v). Vidno sil'noe uvelichenie yarkosti odnoi iz zvezd BMO, obuslovlennoe iskrivleniem luchei sveta etoi zvezdy v gravitacionnom pole bolee blizkogo k nam temnogo tela Galaktiki (iz zhurnala: Nature. 1993. Vol. 365. P. 621)

Ris. 5. Krivye bleska zvezdy BMO v sinih i krasnyh luchah, obuslovlennye effektom mikrolinzirovaniya (iz stat'i S. Alkoka i dr.: Nature. 1993. Vol. 365. P. 621). Krivye simmetrichny i ne zavisyat ot dliny volny. Eto dokazyvaet, chto oni obuslovleny ne fizicheskoi peremennost'yu zvezdy, a svyazany s iskrivleniem luchei sveta zvezdy BMO v gravitacionnom pole bolee blizkogo k nam temnogo tela galo nashei Galaktiki

Po prodolzhitel'nosti izmeneniya bleska $\Delta t$ ocenivayutsya razmery konusa Einshteina $\theta_{0}$ deflektora (cm. formulu (6)). Sootvetstvuyushaya massa temnogo tela sostavlyaet ~ 0,1 $M_{\odot}$ .

Takim obrazom, pervye zhe rezul'taty nablyudenii yavlenii mikrolinzirovaniya pozvolili zaklyuchit', chto po krainei mere odnoi iz komponent skrytoi massy yavlyayutsya malomassivnye (M $\leq$ 0,1 $M_{\odot}$ ) zvezdy, vozmozhno korichnevye karliki. Kolichestvo takih malomassivnyh zvezd v nashei Galaktike okazyvaetsya mnogo bol'shim, chem eto predskazyvaet sovremennaya teoriya proishozhdeniya i evolyucii zvezd, chto stavit pered uchenymi ser'eznuyu problemu, trebuyushuyu skoreishego resheniya. Dlya korrektnoi ocenki doli skrytoi massy, sosredotochennoi v takih malomassivnyh zvezdah, neobhodimo narashivat' chislo nablyudenii yavlenii mikrolinzirovaniya, prichem zhelatel'no eto delat' ne tol'ko v napravlenii na BMO, no i v drugih napravleniyah, chtoby luchshe ocenit' prostranstvennoe raspredelenie temnyh tel v Galaktike. S etoi cel'yu gruppa astronomov GAISh MGU pod rukovodstvom M.V. Sazhina eshe v 1989 godu nachala poisk effektov mikrolinzirovaniya zvezd galaktiki v sozvezdii Andromeda (kotoraya raspolozhena na Severnom nebe i dostupna dlya nablyudenii s observatorii Rossii i stran SNG). Gruppa amerikanskih i pol'skih uchenyh s 1992 goda nablyudaet effekty mikrolinzirovaniya zvezd baldzha nashei Galaktiki temnymi telami galo (baldzh - eto bol'shoe skoplenie zvezd v okrestnosti galakticheskogo centra). Etot eksperiment poluchil nazvanie OGLE. V eksperimente OGLE byli otkryty desyatki sluchaev mikrolinzirovaniya.

K nastoyashemu vremeni chislo obnaruzhennyh yavlenii mikrolinzirovaniya prevyshaet 50. Analiz rezul'tatov nablyudenii BMO pozvolyaet zaklyuchit', chto po krainei mere polovina skrytoi massy galo Galaktiki v vide barionov obyazana svoim proishozhdeniem vkladu malomassivnyh (M < (0,1-0,5) $M_{\odot}$ ) zvezd i korichnevyh karlikov. Iz chego sostoit vtoraya polovina barionnoi komponenty skrytoi massy i kakova priroda nebarionnoi komponenty skrytoi massy, poka ostaetsya zagadkoi. Vprochem, mozhno sushestvenno umen'shit' ostrotu problemy, esli uchest' yavleniya mikrolinzirovaniya ne tol'ko odinochnyh, no takzhe dvoinyh i kratnyh zvezd.

Mikrolinzirovanie dvoinyh zvezd i soputstvuyushie effekty

Dolya dvoinyh i kratnyh sredi zvezd Galaktiki sostavlyaet okolo 50%, poetomu vpolne veroyatno nablyudat' yavleniya mikrolinzirovaniya, obuslovlennye dvoistvennost'yu zvezd. Zabegaya vpered, otmetim, chto v etih sluchayah krivaya bleska pri mikrolinzirovanii mozhet byt' nesimmetrichnoi i zavisyashei ot dliny volny. Ne isklyucheno, chto pervye nablyudateli yavlenii mikrolinzirovaniya otbrasyvali takie sobytiya, schitaya ih svyazannymi ne s mikrolinzirovaniem, a s trivial'noi prichinoi - fizicheskoi peremennost'yu zvezdy (dolya takih peremennyh zvezd dostigaet 10%). Esli prinyat' vo vnimanie takie otbroshennye sobytiya, dolya malomassivnyh zvezd, belyh karlikov i korichnevyh karlikov v barionnoi komponente skrytoi massy mozhet byt' bol'she 50%. Poetomu analiz yavlenii mikrolinzirovaniya, svyazannyh s dvoistvennost'yu zvezd, predstavlyaetsya aktual'noi zadachei.

Vpervye problemu mikrolinzirovaniya odinochnoi zvezdy fona dvoinoi gravitacionnoi linzoi rassmotreli B. Pachinskii i S. Mao v 1991 godu. Problema mikrolinzirovaniya dvoinoi zvezdy fona odinochnoi gravitacionnoi linzoi byla rassmotrena K. Gristom i V. Hu v 1992 godu. M.V. Sazhin i avtor dannoi stat'i v 1994-1995 godah rasschitali krivye izmeneniya bleska i cveta pri mikrolinzirovanii dvoinyh zvezd razlichnyh spektral'nyh klassov odinochnoi gravitacionnoi linzoi. Izmeneniya cveta pri mikrolinzirovanii dvoinoi zvezdy odinochnoi gravitacionnoi linzoi proishodyat ne potomu, chto luchi sveta raznyh dlin voln otklonyayutsya v gravitacionnom pole deflektora na raznye ugly, a potomu, chto zvezdy raznyh spektral'nyh klassov (i, sledovatel'no, raznyh temperatur) prohodyat na raznyh uglovyh rasstoyaniyah ot deflektora.

M.B. Bogdanov i avtor dannoi stat'i rasschitali "hromaticheskii" effekt pri mikrolinzirovanii i pokazali, chto dazhe pri standartnoi situacii mikrolinzirovaniya odinochnoi zvezdy mogut proishodit' nebol'shie izmeneniya cveta (amplitudoi poryadka odnogo procenta). Eto svyazano s tem, chto real'naya zvezda ne yavlyaetsya ideal'nym tochechnym ob'ektom, a imeet hotya i ochen' malye, no otlichnye ot nulya uglovye razmery i razlichnoe v raznyh dlinah voln raspredelenie yarkosti po disku. Poskol'ku disk zvezdy imeet potemnenie k krayu i temperatura izlucheniya na krayu diska nizhe, chem v ego centre, zavisimost' koefficienta usileniya pri mikrolinzirovanii $A(\theta)$ ot uglovogo rasstoyaniya $\theta$ do deflektora privodit k tomu, chto blesk real'noi zvezdy v maksimume v bol'shinstve sluchaev ispytyvaet pokrasnenie. Eto harakternoe pokrasnenie v maksimume bleska mozhet byt' ispol'zovano kak dopolnitel'nyi priznak effekta gravitacionnogo mikrolinzirovaniya.

Osobenno harakternym priznakom effekta mikrolinzirovaniya yavlyaetsya specificheskoe izmenenie stepeni i ugla lineinoi polyarizacii izlucheniya linziruemoi zvezdy. Na eto obratili vnimanie angliiskie uchenye Dzh. Simmons, Dzh. Villis i A. N'yusem, a takzhe M.B. Bogdanov, M.V. Sazhin i avtor nastoyashei stat'i. Hotya izluchenie na krayu diska zvezdy polyarizovano (stepen' polyarizacii zdes' dostigaet 10%), polnoe izluchenie ot odinochnoi sfericheskoi zvezdy ne polyarizovano. Dlya poyavleniya zametnoi lineinoi polyarizacii izlucheniya zvezdy nuzhny otkloneniya ot sfericheskoi simmetrii. Kogda svet zvezdy ispytyvaet gravitacionnoe mikrolinzirovanie, izluchenie kraya diska zvezdy usilivaetsya sil'nee izlucheniya ego centra, chto privodit k narusheniyu sfericheskoi simmetrii i poyavleniyu zametnoi lineinoi polyarizacii amplitudoi do 0,5%. Tochnost' sovremennyh fotoelektricheskih polyarizacionnyh nablyudenii dostigaet 0,01%, poetomu izmenenie polyarizacii sveta zvezdy pri mikrolinzirovanii vpolne nablyudaemo i tozhe mozhet ispol'zovat'sya kak dopolnitel'nyi priznak effekta mikrolinzirovaniya real'noi zvezdy.

Nablyudalos' neskol'ko yavlenii mikrolinzirovaniya, pokazyvayushih nesimmetrichnye krivye bleska, kotorye interpretirovalis' v ramkah modeli dvoinoi gravitacionnoi linzy. Otdel'nye nesimmetrichnye krivye bleska mogut byt' svyazany takzhe s mikrolinzirovaniem dvoinoi zvezdy odinochnoi gravitacionnoi linzoi. Izuchenie takih anomal'nyh krivyh mikrolinzirovaniya perspektivno dlya utochneniya doli malomassivnyh zvezd i korichnevyh karlikov v skrytoi masse.

Vse opisannye effekty, soputstvuyushie yavleniyu mikrolinzirovaniya, svidetel'stvuyut o tom, chto mikrolinzirovanie pozvolyaet ne tol'ko vyyavit' prirodu skrytoi massy, no i daet vozmozhnost' izuchat' dalekie zvezdy s ochen' vysokim uglovym razresheniem (~ 0,"001). O tom, chto yavlenie mikrolinzirovaniya mozhno ispol'zovat' kak teleskop, obladayushii sverhvysokim uglovym razresheniem, pisali v 1993 godu M.V. Sazhin i amerikanskii uchenyi D. Bleier. Nablyudeniya mikrolinzirovaniya zvezd s vysokoi fotometricheskoi tochnost'yu dayut principial'nuyu vozmozhnost' obnaruzheniya ne tol'ko zvezdnyh, no dazhe planetnyh sputnikov u zvezd.

Rossiiskie uchenye A.V. Gurevich, K.P. Zybin i V.A. Sirota v 1996 godu opublikovali ochen' vazhnuyu rabotu, gde pokazali, chto aktual'nym yavlyaetsya takzhe poisk nekompaktnyh ob'ektov galo Galaktiki, sostoyashih iz elementarnyh chastic nebarionnoi prirody (WIMPs). V etom sluchae takzhe dolzhny nablyudat'sya krivye bleska, obuslovlennye mikrolinzirovaniem sveta dalekih zvezd, no uzhe ne kompaktnymi, a protyazhennymi telami galo Galaktiki. Takim obrazom, poyavlyaetsya vozmozhnost' izucheniya ne tol'ko barionnoi, no i nebarionnoi komponenty skrytoi massy. Pri etom, chtoby nadezhno otlichit' tochechnyi deflektor ot protyazhennogo, osobenno vazhno nablyudat' i issledovat' mikrolinzirovanie dvoinyh zvezd fona.

Zaklyuchenie

My opisali sovremennyi nablyudatel'nyi status problemy skrytoi massy vo Vselennoi. Ispol'zovanie sovremennyh fotoelektricheskih panoramnyh priemnikov i moshnyh komp'yuterov pozvolilo osushestvit' nastoyashii proryv v etoi vazhneishei probleme nauki i vyyavit' po krainei mere odnu komponentu skrytoi massy - eto malomassivnye (M < (0,1-0,5) $M_{\odot}$ ) zvezdy, belye karliki i vozmozhnye korichnevye karliki, kotoryh okazalos' ochen' mnogo v galo nashei Galaktiki, mnogo bol'she, chem predskazyvalos' teoriei evolyucii zvezd. Eto otkrytie stavit novye problemy pered teoretikami. Mozhno ne somnevat'sya, chto v blizhaishie gody my uznaem mnogo principial'no novogo o prirode i evolyucii zvezd.

Podcherknem odno vazhnoe obstoyatel'stvo. Otkrytiya effektov mikrolinzirovaniya byli sdelany na nebol'shih nazemnyh teleskopah prostymi i deshevymi sredstvami. Naryadu s obnaruzheniem effektov mikrolinzirovaniya byli polucheny vysokotochnye krivye bleska mnogih desyatkov tysyach peremennyh zvezd raznyh tipov, chto yavlyaetsya vazhnym vkladom ne tol'ko v problemu skrytoi massy, no i v problemu izucheniya peremennyh zvezd. Vse eto pokazyvaet, naskol'ko plodotvornoi mozhet okazat'sya ostroumnaya nauchnaya ideya.

Literatura


[1]	Blioh P.V., Minakov A.A. Gravitacionnye linzy. M.: Znanie, 1990. S. 3-62
[2]	Shul'ga V. Kosmicheskie linzy i poisk temnogo veshestva vo Vselennoi // Nauka i zhizn'. 1994. No 2. S. 6-11.
[3]	Sazhin M.V., Cherepashuk A.M. Mikrolinzirovanie dvoinyh i kratnyh zvezd // Pis'ma v "Astron. zhurn.". 1994. T. 20, No 9. S. 613-619.
[4]	Bogdanov M.B., Cherepashuk A.M. "Hromaticheskii" effekt pri gravitacionnom mikrolinzirovanii zvezd // Tam zhe. 1995. T. 21, No 8. S. 570-573.
[5]	Ginzburg V.L. O fizike i astrofizike. M.: Byuro "Kvantum", 1995.
[6]	Zaharov A.F. Gravitacionnye linzy i mikrolinzy. M.: Yanus-K, 1997.

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce