Kosmicheskie mirazhi2.03.1997 18:18 | V.M. Sidorov/Vselennaya i My
Mozhno li predstavit' sebe teleskop kosmicheskih razmerov v desyatki, sotni i bolee kiloparsekov? Esli imet' vvidu rukotvornye teleskopy, to, pozhalui, trudno. Mezhdu tem, priroda izgotovlyaet takie “instrumenty”. Rech' idet o gravitacionnyh linzah, celom klasse astronomicheskih ob'ektov, nedavno otkrytyh i prityagivayushih k sebe vnimanie issledovatelei. Slov net, gravitacionnye linzy — ob'ekty interesnye, dazhe neobyknovennye, no nichego sverhestestvennogo v nih net. Fizicheskie principy gravitacionnogo linzovaniya sravnitel'no prosty i davno izvestny. Glavnyi iz nih vzaimodeistvie gravitacionnogo polya s izlucheniem proizvol'noi prirody. V bolee konkretnoi forme on proyavlyaetsya v iskrivlenii traektorii lyubyh chastic v pole tyagoteniya. Naibolee posledovatel'no etot princip otrazhen v obshei teorii otnositel'nosti (OTO), poyavlenie kotoroi na svet i posluzhilo, po-sushestvu, otpravnoi tochkoi issledovanii po gravitacionnoi fokusirovke. Uzhe v 1915 g. blagodarya rabotam Einshteina byla vyyasnena rol' gravitacii v iskrivlenii traektorii svetovyh luchei, chto i dalo vozmozhnost' Lodzhu v 1919 g. i Eddingtonu v 1920 g. opublikovat' pervye raboty po gravitacionnoi fokusirovke elektromagnitnogo izlucheniya. Zatem vplot' do otkrytiya Uolshem, Karsvellom i Veimannom v 1979 g. pervoi gravitacionnolinzovoi sistemy 0957+561(A,V), eti issledovaniya nosili sugubo teoreticheskii harakter i byli vsego lish' ekzotikoi. Sut' otkrytiya 1979 g. sostoyala v tom, chto na osnovanii tozhdestva spektral'nyh harakteristik i krasnyh smeshenii tesnoi pary kvazarov 0957+561 (A,V) s uglovym rasstoyaniem drug ot druga 6", nablyudateli predpolozhili vozmozhnost' sushestvovaniya vmesto raznyh kvazarov dvuh izobrazhenii odnogo i togo zhe kvazara, t.e. dvuh "mirazhei". Eto predpolozhenie vskore bylo podkrepleno sil'nym argumentom - na rasstoyanii 0,8" ot komponenta V byla obnaruzhena gigantskaya ellipticheskaya galaktika, kotoraya byla interpretirovana kak gravitacionnaya linza, sozdayushaya dva izobrazheniya istochnika. Teoreticheskaya ekzotika stala obretat', nakonec, real'nuyu nablyudatel'nuyu osnovu. Sledstviem otkrytiya pervoi gravitacionnoi linzy byl vzryv aktivnosti issledovatelei, vyzvannyi stremleniem astronomov uvidet' etot dikovinnyi ob'ekt svoimi glazami i kak mozhno polnee ego issledovat'. I prakticheski srazu posle otkrytiya nachalis' energichnye poiski novyh analogichnyh ob'ektov. Posle togo, kak pervye strasti uleglis', na smenu entuziazmu prishli special'nye, gluboko obosnovannye programmy poiskov i issledovanii gravitacionnyh linz, dlya realizacii kotoryh byli ispol'zovany luchshie sovremennye instrumenty-teleskopy i radioteleskopy. V itoge k segodnyashnemu dnyu otkryto bolee treh desyatkov gravitacionnyh sistem, raznoobraznyh po svoei strukture, prichem bol'shinstvo iz nih yavlyaetsya poka kandidatami na rol' etih ob'ektov. Po morfologicheskomu priznaku vse gravitacionnye linzy mozhno razbit' na tri sleduyushie gruppy: 1. Gravitacionnye linzy sozdayushie kratnye izobrazheniya, chislo kotoryh segodnya naibol'shee; 2. Gigantskie svetyashiesya dugi — vtoraya po chislennosti gruppa; 3. Kol'ceobraznye struktury, tak nazyvaemye "kol'ca Einshteina". Vse mirazhi, sozdavaemye predstavitelyami etih grupp, formiruyutsya ogromnymi massami poryadka mass galaktik, skoplenii galaktik (makrolenzing). K gorazdo bolee slabym nablyudatel'nym effektam privodyat gravitacionnye linzy s massami poryadka zvezd (mikrolenzing), ih deistvie mozhet proyavlyat'sya, naprimer, v variaciyah bleska istochnikov. Tochnoe chislo gravitacionnyh linz vryad li seichas mozhet byt' nazvano, tak kak mnogie iz etih ob'ektov sledovalo by otnesti skoree k razryadu kandidatov v kandidaty. Za etoi igroi slov skryvaetsya vsego lish' plohoe znanie prirody ob'ektov.
Drugoi horoshii pokazatel' aktivnosti raboty astrofizikov - chislo nauchnyh publikacii. V sootvetstvii s etim pokazatelem podavlyayushaya chast' rabot po gravitacionnomu linzirovaniyu (bolee 3/4) prihoditsya na sravnitel'no nebol'shoi otrezok vremeni - posle 1979 g.
Chem vyzvan takoi interes k gravitacionnym linzam i chto eti ob'ekty mogut dat' astrofizikam? Rol' "kosmicheskogo teleskopa" kak moshnogo instrumenta issledovaniya Vselennoi byla otmechena F. Cvikki eshe v 1937 g. Segodnya eta rol' gravitacionnyh linz osoznana gorazdo polnee i konkretnee. Vo-pervyh, gravitacionnye linzy mogut znachitel'no usilivat' izluchenie istochnikov, s ih pomosh'yu mozhno poluchat' takuyu informaciyu ob istochnikah, kotoruyu trudno bylo by dobyt' drugimi sposobami. Vo-vtoryh, izobrazheniya, sozdannye gravitacionnymi linzami, soderzhat svedeniya, neobhodimye, dlya postroeniya modelei samih linz (v pervuyu ochered' galaktik). Takuyu informaciyu mozhno ispol'zovat' v silu universal'nogo haraktera gravitacionnogo polya dlya modelirovaniya raspredeleniya plotnosti veshestva lyubogo proishozhdeniya, v chastnosti raspredelenii skrytoi massy (po nekotorym ocenkam ona sostavlyaet ot 90% do 97% polnoi massy Vselennoi). V tret'ih, iz analiza izobrazhenii istochnikov, sozdannyh gravitacionnymi linzami, mozhno poluchat' svedeniya ob usrednennyh, krupnomasshtabnyh svoistvah Vselennoi, o takih kosmologicheskih velichinah kak parametr Habbla N (sootvetstvuyushee emu vremya t - vozrast Vselennoi), parametr zamedleniya q i kosmologicheskaya postoyannaya . Krome togo, takie "prizraki Vselennoi" kak chernye dyry i kosmicheskie struny, neposredstvenno ne nablyudaemye, no obladayushie sil'nymi gravitacionnymi polyami, takzhe dolzhny deistvovat' na izluchenie kak specificheskie gravitacionnye linzy. Obnaruzhenie i issledovanie takih linz mozhet prolit' svet na nekotorye fundamental'nye problemy astrofiziki. Etim ne ischerpyvayutsya, konechno, vse vozmozhnosti gravitacionnyh linz v nastoyashee vremya. Chto kasaetsya perspektiv ispol'zovaniya "kosmicheskih teleskopov", to o mnogom my seichas mozhem dazhe ne dogadyvat'sya, tochno tak zhe kak ne podozreval o nyneshnih vozmozhnostyah teleskopov Galilei, sozdavaya svoi instrumenty.
Prelomlenie svetovyh luchei v pole tyagoteniya
Fizicheskoi osnovoi gravitacionnogo linzirovaniya, kak uzhe upominalos', yavlyaetsya effekt iskrivleniya traektorii chastic gravitacionnym polem. Kakih konkretno chastic - ne imeet znacheniya vvidu universal'nogo haraktera gravitacionnogo polya, soglasno kotoromu vse tela, nezavisimo ot ih massy, dolzhny dvigat'sya v takom pole odinakovo. Eto svoistvo gravitacionnogo polya yavlyaetsya eksperimental'nym faktom, polozhennym v osnovu obshei teorii otnositel'nosti. Prekrasnym posobiem dlya zhelayushih poznakomit'sya s osnovami OTO mozhet sluzhit' kniga P. Bergmana "Zagadka gravitacii" (Izd. "Nauka", Moskva, 1969 g.). Takim obrazom, gravitacionnoe pole v principe sposobno iskrivlyat' traektorii dvizheniya, i, sledovatel'no, fokusirovat' lyubye po svoei prirode ob'ekty - ot elementarnyh chastic do makroskopicheskih tel. Pri etom elementarnye chasticy mogut kak obladat' massoi (elektrony, protony, neitrony...), tak i ne imet' ee, tochnee imet' ravnuyu nulyu massu pokoya (gravitony, fotony...). Nas budut interesovat' isklyuchitel'no svetovye potoki (fotony) i vozdeistvie na nih gravitacionnogo polya, sozdavaemogo razlichnymi astronomicheskimi ob'ektami - linzami: zvezdami, galaktikami, skopleniyami galaktik.
Vpervye effekt iskrivleniya traektorii svetovyh luchei v gravitacionnom pole byl eksperimental'no proveren v 1919 g. Vo vremya polnogo solnechnogo zatmeniya angliiskii astronom A. Eddington izmeril koordinaty zvezd vblizi solnechnogo diska v polnoi faze zatmeniya, kogda vliyanie Solnca naibol'shee, i sravnil ih s polozheniem teh zhe zvezd, kogda iskazhayushee vozdeistvie Solnca prakticheski otsutstvuet. Po raznice koordinat dvuh polozhenii zvezd Eddington opredelil velichinu effekta 1,98". V predelah nebol'shoi oshibki etot rezul'tat sootvetstvoval vyvodam OTO, t.e. velichine 1,75", chto yavlyalos' pervym eksperimental'nym podtverzhdeniem relyativistskoi teorii. Odnako dlya togo, chtoby ponyat' kachestvennuyu storonu yavleniya, sovsem ne obyazatel'no pribegat' k stol' slozhnoi teorii - dlya etogo vpolne dostatochno obratit'sya k obychnoi n'yutonovskoi teorii tyagoteniya. Dlya etogo neobhodimo sdelat' dva predpolozheniya: 1. Soglasno kvantovomu dualizmu volne-chastice elektromagnitnoi volny s chastotoi n budem stavit' v sootvetstvie chasticu (foton) s effektivnoi massoi m = hv/c2; 2. Foton i nekotoroe makroskopicheskoe telo s massoi M vzaimodeistvuyut mezhdu soboi po n'yutonovskomu zakonu tyagoteniya:
Zdes' vvedeny oboznacheniya: h - postoyannaya Planka, s - skorost' sveta, G - gravitacionnaya postoyannaya, r - rasstoyanie mezhdu vzaimodeistvuyushimi ob'ektami. Uzhe s samyh pervyh shagov n'yutonovskogo podhoda mogut poyavit'sya somneniya v pravomernosti ego primeneniya. Sut' v tom, chto n'yutonovskaya teoriya primenima tol'ko dlya slabyh gravitacionnyh polei, mezhdu tem kak iz formuly (1) vidno, chto pri umen'shenii rasstoyaniya r velichina sily vzaimodeistviya F neogranichenno vozrastaet (pri r stremyashemsya k nulyu F stremitsyasya k beskonechnosti). Odnako netrudno ocenit' granicu korrektnosti n'yutonovskogo podhoda. Takaya ocenka osnovyvaetsya na tom ochevidnom, naglyadnom fakte, chto traektoriya chasticy tem bolee pryamolineina, chem bol'she ee nachal'naya skorost' i chem bol'she minimal'noe rasstoyanie rmin ot centra tyagoteniya do chasticy na ee traektorii. Na fizicheskom yazyke eto oznachaet, chto kineticheskaya energiya n'yutonovskoi chasticy (fotona) mc2/2 dolzhna znachitel'no prevyshat' ee maksimal'nuyu po absolyutnomu znacheniyu potencial'nuyu energiyu GMm/rmin. Otsyuda sleduet neravenstvo
oznachayushee, chto traektoriya chasticy ne dolzhna prohodit' blizko
ot centra tyagoteniya. Velichina rg = 2GM/c2 nosit
nazvanie gravitacionnogo radiusa tela. Rassmotrim v kachestve primera situaciyu
s traektoriei fotona, prohodyashei vblizi kraya Solnca. Sovershenno yasno, chto Solnce
neprozrachno dlya fotonov i, sledovatel'no, ih traektorii dolzhny imet' minimal'noe
udalenie ot centra tyagoteniya, ravnoe radiusu Solnca 
.
Gravitacionnyi radius Solnca, vychislennyi po formule (2), imeet znachenie rg
= 3 km. Takim obrazom, neravenstvo rmin = 
>>
rg nadezhno vypolnyaetsya v nashem primere, kak vypolnyaetsya ono
v bol'shinstve sluchaev astronomicheskoi praktiki za isklyucheniem chernyh dyr. Hotya
privedennye rassuzhdeniya i dayut nam nekotorye osnovaniya dlya primeneniya n'yutonovskoi
teorii, nuzhno ne zabyvat', chto oshibka pri etom vse zhe sovershaetsya. Kakaya konkretno,
budet vidno iz dal'neishego. Zdes' umestno napomnit', chto predstavleniya, analogichnye
sovremennym, o gravitacionnom radiuse i chernyh dyrah tol'ko v drugih terminah,
byli vpervye vvedeny v fiziku Laplasom v konce XVIII v. Osnovyvaya svoi vychisleniya
na n'yutonovskoi teorii, on prishel k vyvodu, chto zvezdy s dostatochno bol'shimi
plotnost'yu i razmerami svoim prityazheniem ne dolzhny "otpuskat' svet naruzhu",
t.e. stanovyatsya nevidimymi dlya vneshnego nablyudatelya. Osnovyvayas' na zakonah
n'yutonovskoi fiziki vne oblasti ih primeneniya, on tem ne menee prishel k pravil'nomu
vyvodu.
(Ris. 1 Otklonenie fotonov v gravitacionnom pole zvezdy.)
Rassmotrim neprozrachnuyu gravitacionnuyu linzu i naletayushii na nee svetovoi potok ot ochen' udalennogo istochnika, vsledstvii chego prihodyashie k linze luchi mozhno schitat' prakticheski parallel'nymi (ris. 1). Pomestim nachalo sistemy koordinat v centr tyagoteniya tak, chtoby os' x sovpadala s napravleniem rasprostraneniya svetovyh luchei.
Voz'mem maksimal'no prostoe raspredelenie plotnosti veshestva v gravitacionnoi linze, t.e. budem schitat' plotnost' postoyannoi po vsemu ob'emu linzy: p= const. Takoi ob'ekt budet porozhdat' sfericheski-simmetrichnoe gravitacionnoe pole, poetomu ego potencial i sila vzaimodeistviya budut zaviset' tol'ko ot rasstoyaniya r. V takom simmetrichnom pole dvizhenie kazhdoi chasticy budet proishodit' v opredelennoi ploskosti, poetomu odnu iz koordinat mozhno voobshe isklyuchit' iz rassmotreniya (naprimer, koordinatu z) - na ris. 1 traektorii fotonov izobrazheny v ploskosti (x, y). Radius-vektor chasticy budet takzhe zaviset' ot dvuh koordinat:r2=x2+y2 . Vazhneishei harakteristikoi gravitacionnoi linzy yavlyaetsya ugol otkloneniya svetovyh luchei a, obrazuemyi peresecheniem dvuh asimptot k prihodyashemu i uhodyashemu ot linzy lucham (ris. 1), i ego zavisimost' ot pricel'nogo parametra R. Tak prinyato nazyvat' minimal'noe rasstoyanie ot centra tyagoteniya do traektorii chasticy, esli by eta traektoriya ne byla iskrivlennoi. Uzhe sam harakter vzaimodeistviya chasticy s gravitacionnymi linzami natalkivaet na mysl' o tom, chto ugol a dolzhen obratno proporcional'no zaviset' ot pricel'nogo parametra, t.e. s uvelicheniem R ugol otkloneniya a dolzhen umen'shat'sya. Odnako bolee stroguyu, konkretnuyu zavisimost' mozhno naiti, reshiv n'yutonovskie uravneniya dvizheniya fotona v gravitacionnom pole linzy:
Procedura resheniya etih prostyh uravnenii ne vhodit v nashi namereniya, odnako otmetim osnovnye etapy na puti k interesuyushemu nas rezul'tatu. Resheniem uravneniya dvizheniya (3) my opredelyaem snachala traektoriyu fotona, zatem opredelyaem asimptoty voshodyashei i nishodyashei vetvei etoi traektorii i, nakonec, po asimptotam nahodim zavisimost' a(R):
Ocenim velichinu ugla dlya konkretnogo primera traektorii fotona, kasayusheisya
kraya Solnca. Pri rg > 3 km i P = 
km
poluchim:
Eta velichina okazalas' priblizitel'no vdvoe men'she izmerennoi Eddingtonom vo vremya solnechnogo zatmeniya. Gorazdo luchshee sootvetstvie s eksperimentom daet relyativistskaya teoriya (OTO). Soglasno predstavleniyam etoi teorii, gravitacionnoe pole proyavlyaetsya cherez geometricheskie svoistva chetyrehmernogo rimanova prostranstva-vremeni, vazhneishim iz kotoryh yavlyaetsya ego krivizna. Naibolee prostym i naglyadnym primerom dvumernogo iskrivlennogo (rimanova) prostranstva yavlyaetsya poverhnost' shara. V svoyu ochered' geometricheskie svoistva prostranstva-vremeni neposredstvenno zavisyat ot raspredeleniya materii. Takim obrazom, v OTO, kak i v n'yutonovskoi teorii tyagoteniya, sushestvuet pryamaya zavisimost' svoistv gravitacionnogo polya ot ego istochnikov. Odnako, v otlichie ot teorii N'yutona, v OTO i samo gravitacionnoe pole vozdeistvuet na raspredelenie material'nyh istochnikov i ih dvizhenie, chto privodit k nelineinomu harakteru uravnenii tyagoteniya i znachitel'nym oslozhneniyam pri ih analize. Dvizhenie vseh tel v rimanovom prostranstve-vremeni proishodit po tak nazyvaemym geodezicheskim traektoriyam - kratchaishim ekstremal'nym liniyam, soedinyayushim dve zadannye tochki. Primerom takih geodezicheskih linii v iskrivlennom dvumernom prostranstve mogut sluzhit' krivye, obrazuemye peresecheniem poverhnosti sfery s ploskostyami, prohodyashimi cherez ee centr. Lyubye necentral'nye secheniya uzhe ne budut davat' geodezicheskih linii i, sledovatel'no, privodyat k bolee dlinnym rasstoyaniyam mezhdu dvumya tochkami. A to, chto dve proizvol'nye tochki poverhnosti sfery vsegda mozhno soedinit' geodezicheskoi, yasno v nashem primere uzhe iz togo, chto cherez tri tochki (dve na poverhnosti sfery i odnu central'nuyu) vsegda mozhno provesti ploskost', prichem tol'ko odnu, chto i privodit k odnoznachnomu resheniyu zadachi.
Rassmotrim, kak i v n'yutonovskom sluchae, dvizhenie fotonov v gravitacionnom pole odnorodnogo shara, no uzhe s tochki zreniya relyativistskoi teorii. Kak i prezhde, gravitacionnoe pole takogo shara obladaet sfericheskoi simmetriei, i dvizhenie fotonov v nem budet ploskim, t.e. dolzhno proishodit' v opredelennoi ploskosti, odnako ih traektoriyami v etom sluchae teper' budut geodezicheskie linii. Dlya polucheniya zavisimosti ugla prelomleniya a ot pricel'nogo parametra R teper' neobhodimo reshat' uravneniya geodezicheskih linii, gorazdo bolee slozhnye, chem n'yutonovskie uravneniya dvizheniya (3), hotya osnovnye etapy polucheniya rezul'tata (uravneniya - traektoriya - asimptoty - ugol otkloneniya) ostayutsya temi zhe, chto i prezhde. Formula dlya ugla otkloneniya sveta v relyativistskoi teorii byla vpervye poluchena Einshteinom v 1915 g. i, nesmotrya na bolee trudnye podhody k nei, tak zhe prosta, kak i formula (4):
otlichayas' ot nee dvoikoi v chislitele. Sootvetstvenno, v dva raza bol'shim budet chislennoe znachenie ugla otkloneniya lucha sveta ot zvezdy, prohodyashego u kraya Solnca:
Poluchennaya velichina horosho soglasuetsya s nablyudeniyami, tak chto etot fakt yavlyaetsya odnoi iz teh eksperimental'nyh osnov, na kotorye opiraetsya relyativistskaya teoriya.
Formula (6), pri vsei ee prostote, uzhe daet vozmozhnost' sdelat' nekotorye vyvody
o haraktere rassmatrivaemoi gravitacionnoi linzy. Central'naya simmetriya gravitacionnogo
polya privodit k tomu, chto vse luchi, imeyushie odin i tot zhe pricel'nyi parametr
soidutsya v odnoi tochke (fokuse) na opticheskoi osi - osi X (ris. 2a).
Rasstoyanie etoi tochki ot centra gravitacionnoi linzy legko ocenit', prinyav vo
vnimanie formulu (6) i ochevidnoe geometricheskoe ravenstvo , 
spravedlivoe
pri malyh znacheniyah ugla otkloneniya a (napomnim, chto ugly maly pri uslovii
P = R >> rg).
Iz etih dvuh sootnoshenii poluchaem prostuyu zavisimost':
iz kotoroi sleduet, chto gravitacionnaya linza imeet mnozhestvo fokal'nyh tochek. Dlya bol'shei naglyadnosti budem provodit' parallel' mezhdu svoistvami gravitacionnyh linz i sobiratel'nymi opticheskimi linzami. V otlichie ot obratnoi zavisimosti ugla prelomleniya ot pricel'nogo parametra dlya gravitacionnoi linzy, kak eto vidno iz formuly (6), v sluchae opticheskoi linzy deistvuet pryamaya zavisimost':
Esli opticheskaya linza (bez ucheta abberacii - iskazhenii) sobiraet v odnom fokuse
F puchok luchei s raznymi znacheniyami pricel'nogo parametra (ris. 2b), to fokal'nye
tochki gravitacionnoi linzy zapolnyayut soboi poluos' 
.
Eto oznachaet, chto fokusnye rasstoyaniya prinimayut znacheniya ot minimal'noi velichiny
opredelyaemoi iz formuly (8) pri uslovii P = R do beskonechnosti pri R stremyashemsya k beskonechnosti (ris. 2a). Znacheniya X ot R do Fmin opredelyayut oblast' teni gravitacionnoi linzy, zashtrihovannuyu na ris. 2a. Sovershenno yasno, chto takoe ustroistvo fokal'noi poluosi vozmozhno tol'ko dlya neprozrachnyh linz (naprimer, zvezd). V teh sluchayah, kogda veshestvo gravitacionnoi linzy ne yavlyaetsya prepyatstviem dlya izlucheniya i linzy prozrachny (eto libo te zhe zvezdy dlya gravitonov i neitrino, libo galaktiki dlya fotonov), zavisimost' ugla otkloneniya ot pricel'nogo parametra vnutri gravitacionnoi linzy budet uzhe neskol'ko bolee slozhnoi, chem dlya ee vneshnih oblastei:
hotya vneshnii vid etogo sootnosheniya malo otlichaetsya ot formuly (6). V dannom sluchae v gravitacionnyi radius rg vhodit ne polnaya massa shara M, kak ran'she, a tol'ko ego chast', zaklyuchennaya v cilindre radiusa R, vyrezaemogo iz ob'ema shara izlucheniem:
Netrudno pokazat' na prostom primere odnorodnogo shara, chto svoistva takoi
gravitacionnoi linzy pri nebol'shom znachenii pricel'nogo parametra R (R <<
R) ekvivalentny svoistvam obychnoi sobiratel'noi opticheskoi linzy. Svetovye
luchi v etom primere, tak zhe kak i v opticheskoi linze, budut sobirat'sya v odnom
fokuse F, a zavisimost' ugla prelomleniya dlya takih luchei ot pricel'nogo
parametra budet pryamoi, kak v opticheskoi linze, t.e. budet vyrazhat'sya formuloi
(9). Esli chitatelyu budet interesno, on bez osobogo truda smozhet rasschitat' fokusnoe
rasstoyanie F takoi gravitacionnoi linzy, ne zabyvaya uslovie R << R.
Pri etom zaranee yasno, chto fokusnoe rasstoyanie dolzhno zaviset' ot parametrov
gravitacionnoi linzy, takih kak ee radius i plotnost'. Takim obrazom, opticheskie
svoistva rassmotrennoi prozrachnoi linzy izmenyayutsya ot svoistv prosteishei gravitacionnoi
linzy v ee vneshnei oblasti 
,
gde gravitacionnoe pole odnorodnogo shara tozhdestvenno polyu tochechnoi massy M,
ravnoi masse shara, do harakteristik sobiratel'noi opticheskoi linzy v priosevoi
zone.
Kak voznikayut mirazhi
Model' gravitacionnoi linzy v vide odnorodnogo shara, konechno, byla ves'ma uproshennoi i nosila chisto illyustrativnyi harakter. Real'nye gravitacionnye linzy namnogo slozhnee, slozhnost' linz porozhdaet mnogoobrazie ih tipov, a eto privodit, v svoyu ochered', k raznoobraziyu vidov izobrazhenii. Esli dlya resheniya odnih zadach okazyvaetsya dostatochnym priblizhenie tochechnoi massy gravitacionnoi linzy, to pri reshenii drugih prihoditsya podgonyat' kak mozhno blizhe k real'nosti modeli galaktik-linz s yadrami, da eshe s neodnorodnymi i nesimmetrichnymi (neizotropnymi) raspredeleniyami zvezd v ih ob'emah. Neredko voznikaet neobhodimost' rassmatrivat' skopleniya galaktik (klastery), igrayushie rol' gravitacionnyh linz. Mozhet vstretit'sya i ekzotika - neob'emnoe raspredelenie plotnosti v kosmicheskoi strune-linze s chudovishnoi lineinoi plotnost'yu veshestva p > 1019 g/sm. Real'nost' mozhet byt' ochen' slozhnoi, no osnovnye principy, lezhashie v osnove gravitacionnyh linz sravnitel'no prosty, chto nelishne podcherknut' eshe raz. Legche vsego oni usvaivayutsya na prostyh primerah, odin iz kotoryh my seichas i rassmotrim. Konkretno poprobuem razobrat'sya v tom, kak gravitacionnaya linza obrazuet kratnye izobrazheniya istochnikov.
Predstavim sebe sleduyushuyu sistemu: nablyudatel' s teleskopom, prosteishaya gravitacionnaya linza (tochka ili odnorodnaya sfera massy M) na rasstoyanii D1 ot nablyudatelya i otdalennyi tochechnyi istochnik (naprimer, kvazar), raspolozhennyi na rasstoyaniyah D2 ot nablyudatelya i D3 ot gravitacionnoi linzy tak, chto vypolnyaetsya uslovie linzy D3 > D1 (ris. 3). Krome togo, predpolozhim, chto istochnik ne ekraniruetsya linzoi, t.e. nahoditsya na dostatochnom udalenii S ot osi nablyudatel'-linza. Zametim po etomu povodu, chto na praktike sovmeshenie na odnoi linii istochnika, gravitacionnoi linzy i nablyudatelya hotya i maloveroyatno, no vse zhe vozmozhno, i takoi sluchai budet rassmotren v dal'neishem.
Chto mozhet ozhidat' nablyudatel' v takoi situacii? Vo-pervyh, on zafiksiruet nekotoryi luch 1, a vernee, puchok luchei, s pricel'nym parametrom R1 (ris. 3). Etim lucham budet sootvetstvovat' izobrazhenie istochnika K1, polozhenie kotorogo ne budet sovpadat' s istinnym ego polozheniem K na nebesnoi sfere. Na risunke pricel'nym parametrom R1 oboznacheno rasstoyanie ot centra tyagoteniya do tochki izloma traektorii, chto na pervyi vzglyad ne sootvetstvuet opredeleniyu etogo parametra. Tak ono i est' na samom dele, odnako razmer etogo nesootvetstviya sostavlyaet maluyu velichinu = rg pri rg << P, a sledovatel'no, bol'shoi oshibki my zdes' ne sovershaem. Vo-vtoryh, naprashivaetsya predpolozhenie, chto k nablyudatelyu mozhet priiti i drugoi puchok (luch 2), no uzhe s protivopolozhnoi storony gravitacionnoi linzy (na risunke s nizhnei) i drugim pricel'nym parametrom. Etot vtoroi puchok luchei sformiruet togda vtoroe izobrazhenie istochnika K2, takzhe otlichayusheesya po svoemu mestopolozheniyu ot istinnogo. Takim obrazom, vmesto odnogo istochnika nablyudatel', veroyatno, uvidit dva mirazha K1 i K2. A teper' poprobuem proverit' raschetami nashi predpolozheniya.
(Ris. 3 Obrazovanie mirazhei v pole tyagoteniya massivnoi linzy.)
Dlya resheniya bol'shogo kolichestva zadach, voznikayushih pri analize gravitacionno-linzovyh sistem analogichnyh nashei, vklyuchaya modelirovanie vsevozmozhnyh situacii, astrofiziki ispol'zuyut tak nazyvaemye linzovye uravneniya:
V levoi chasti ravenstva velichina Sp oznachaet proekciyu na ploskost' gravitacionnoi linzy rasstoyaniya S ot istochnika do osi linza-nablyudatel' (risunok 3). Vyvod etogo uravneniya neslozhen i osnovan na predpolozhenii malosti uglov otkloneniya, poetomu i primenyat' ego mozhno tol'ko pri malyh uglah. Reshit' uravnenie (12) primenitel'no k nashei zadache znachit opredelit' iz nego vse znacheniya pricel'nogo parametra R pri izvestnyh znacheniyah ostal'nyh velichin. S uchetom formuly (6) linzovoe uravnenie priobretaet bolee konkretnyi vid:
gde D = D1D3/D2 i privoditsya posle prostyh preobrazovanii k obyknovennomu kvadratnomu uravneniyu:
Para kornei etogo uravneniya:
daet nam vse vozmozhnye znacheniya pricel'nogo parametra (R1,
R2) luchei, prihodyashih v tochku nablyudeniya. Sledovatel'no, eti
znacheniya budut sootvetstvovat' dvum izobrazheniyam s uglovym rasstoyaniem mezhdu
nimi 
.
Zdes' rassmotren sluchai ochen' prostoi gravitacionnoi linzy, bolee slozhnye primery
modelirovaniya privedeny v knige P. V. Blioha, A. A. Minakova "Gravitacionnye
linzy" (Kiev, "Naukova dumka", 1989 g.). Dadim eshe odnu naglyadnuyu geometricheskuyu
illyustraciyu poluchennogo rezul'tata. Sut' ee sostoit v graficheskom analize linzovyh
uravnenii (13). Po osi absciss budem otkladyvat' znacheniya pricel'nogo parametra
R, a po osi ordinat - dve funkcii 
i
, gde
a = 2Drg (ris. 4).
Funkciya 
zadaet pryamuyu (na risunke oboznacheno cifroi 1), J2 - giperbolu (grafik
s cifroi 2). Znacheniya pricel'nogo parametra RA i RB,
sootvetstvuyushie tochkam peresecheniya etih krivyh, i budut resheniyami nashego uravneniya.
Takim obrazom, iz grafika my bystro nahodim, vo-pervyh, kolichestvo reshenii linzovyh
uravnenii (chislo izobrazhenii) i, vo-vtoryh, priblizitel'nye znacheniya pricel'nyh
parametrov. Etim primerom proillyustrirovan prosteishii sluchai tochechnoi gravitacionnoi
linzy. No effektivnost' graficheskogo metoda na prostom primere ne ochen' oshushaetsya,
ona rezko vozrastaet pri uslozhnenii zadachi - ved' v real'nosti mogut vstretit'sya
gorazdo bolee slozhnye raspredeleniya veshestva v gravitacionnyh linzah (a, sledovatel'no,
i gravitacionnogo polya), v tom chisle ne obladayushie central'noi simmetriei. V
takih sluchayah prishlos' by reshat' namnogo bolee slozhnye linzovye algebraicheskie
uravneniya tret'ego, chetvertogo i bolee vysokih poryadkov. Na ris. 4 predstavlen
eshe odin primer bolee slozhnoi, prozrachnoi gravitacionnoi linzy (krivaya 3). Tri
tochki peresecheniya krivyh
i 
sootvetstvuyut
resheniyam linzovogo uravneniya tret'ego poryadka i, sledovatel'no, trem izobrazheniyam
istochnika. V etom sluchae vozmozhno peresechenie grafikov i v dvuh tochkah, kogda
v odnoi tochke pryamaya kasaetsya krivoi, a v drugoi - peresekaet ee, odnako takoi
sluchai yavlyaetsya kriticheskim. Eto vidno uzhe iz togo, chto pri malyh sdvigah ("sheveleniyah")
pryamoi dve tochki peresecheniya prevrashayutsya v tri ili v odnu.
(Ris. 4 Tri primera graficheskogo analiza linzovyh uravnenii.)
Opisannoe svoistvo gravitacionnyh linz sozdavat' kratnye izobrazheniya principial'no otlichaet ih ot sobiratel'nyh opticheskih linz, dlya kotoryh takzhe sushestvuyut linzovye uravneniya. I hotya obshii vid ih identichen uravneniyam dlya gravitacionnyh linz (12), odnako zakon prelomleniya (9) pridaet opticheskim uravneniyam bolee prostoi vid:
Eto uravnenie ustanavlivaet vzaimno-odnoznachnoe sootvetstvie mezhdu
mnozhestvom znachenii velichiny Sp i mnozhestvom R za isklyucheniem fokal'nyh
ploskostei linzy, gde vypolnyaetsya uslovie F = D. V svoyu ochered' eto oznachaet
edinstvennost' resheniya uravneniya (16) pri 
:
Takogo sootvetstviya (matematiki govoryat "izomorfizma"), ne sushestvuet v sluchayah gravitacionnyh linz, gde odnomu znacheniyu Sp mozhet sootvetstvovat' neskol'ko znachenii pricel'nogo parametra R.
Rassmotrim prostoi, no ves'ma interesnyi chastnyi sluchai gravitacionno-linzovoi sistemy, kogda istochnik, gravitacionnaya linza i nablyudatel' raspolozheny na odnoi linii - kombinaciya, redko vstrechayushayasya na praktike. Takaya situaciya takzhe opisyvaetsya linzovymi uravneniyami (13), no pri uslovii Sp = 0:
V etom sluchae kartina, legko vosproizvodimaya po ris. 3, budet isklyuchitel'no simmetrichnoi otnositel'no opticheskoi osi - luchi s dannymi znacheniyami parametra R budut prihodit' k nablyudatelyu po obrazuyushim konusa. Poetomu v svoi teleskop on uvidit kol'cevoe izobrazhenie istochnika ("kol'co Einshteina"), imeyushee radius:
Esli gravitacionnaya linza ne yavlyaetsya tochechnym ob'ektom i k tomu zhe neprozrachna, to nablyudatel' smozhet uvidet' kol'co tol'ko pri uslovii prevysheniya ego razmerov radiusa linzy: Pk > R, a, sledovatel'no, on dolzhen nahodit'sya ot centra linzy dal'she nekotorogo minimal'nogo rasstoyaniya. Raschet etogo rasstoyaniya neslozhen, tak chto chitatel' pri zhelanii vsegda eto smozhet prodelat', vzyav za osnovu sootnoshenie (19) i uchtya uslovie Pk > R. Tolshina takogo kol'cevogo izobrazheniya budet beskonechno maloi, tak kak my rassmatrivali tochechnyi istochnik. Esli zhe istochnik imeet konechnye razmery, naprimer formu diska radiusa R*, to kartina principial'no ne izmenitsya, t.e. kol'co sohranitsya, no budet imet' konechnuyu shirinu dR = R*D1/D2 (ris. 5a). Po mere togo, kak istochnik budet smeshat'sya ot opticheskoi osi, izobrazhenie nachnet deformirovat'sya.
(Ris. 5 Izmenenie formy izobrazheniya istochnika radiusa R* po mere smesheniya ego centra s osi nablyudatel'-linza.)
Esli on smestitsya na velichinu svoego radiusa R*, to kol'co prevratitsya v dva serpa soedinennyh svoimi koncami (ris. 5b). Esli istochnik smestitsya ot osi eshe bol'she, to koncy serpov razomknutsya - izobrazheniya prevratyatsya v dva izognutyh ellipsa (ris. 5v). Pri znachitel'nom uglovom udalenii istochnika ot gravitacionnoi linzy ee vliyanie na izobrazhenii prakticheski uzhe ne budet skazyvat'sya, ot dvuh izobrazhenii ostanetsya odno, a ego forma stanet kopiei formy istochnika, esli ne uchityvat' iskazhayushego vliyaniya opticheskih sistem nablyudatelya.
Gravitacionnye linzy ne tol'ko iskrivlyayut traektorii fotonov i sozdayut prichudlivye
izobrazheniya, oni, krome togo, iskazhayut energetiku izlucheniya, izmenyaya raspredelenie
energii svetovyh potokov. Sledstviem etogo mozhet byt' znachitel'noe usilenie
intensivnosti prihodyashego k nablyudatelyu izlucheniya. Po-sushestvu, eto uzhe podrazumevalos'
ranee, kogda rech' shla ob osobennostyah fokal'noi poluosi gravitacionnoi linzy,
na kotoroi proishodit koncentraciya svetovoi energii. Usilenie izlucheniya prinyato
harakterizovat' koefficientom, predstavlyayushim soboi otnoshenie intensivnosti
svetovogo potoka I v tochke nablyudeniya k intensivnosti izlucheniya I0
v ploskosti gravitacionnoi linzy: q = I/I0. V sluchae neskol'kih
izobrazhenii summarnyi koefficient budet skladyvat'sya iz koefficientov usileniya
dlya kazhdogo komponenta, v chastnosti, pri dvuh izobrazheniyah q = q1+
q2. Nablyudatel', raspolozhennyi na opticheskoi osi so svoim instrumentom
i rassmatrivayushii izobrazhenie udalennogo tochechnogo istochnika (ris. 3), budet
otmechat' sleduyushie izmeneniya yarkosti izobrazhenii po mere smesheniya istochnika
s opticheskoi osi. V tom sluchae, kogda istochnik nahoditsya na samoi opticheskoi
osi (Sp=0), nablyudatel' zafiksiruet beskonechnoe usilenie yarkosti
izobrazheniya (kol'ca). Pri smeshenii istochnika ot osi na maluyu velichinu S
(velichinu Sp v ploskosti gravitacionnoi linzy) izobrazhenie
stanet dvoinym, kak nam uzhe izvestno, prichem koefficienty usileniya kazhdogo komponenta
budut uzhe konechnymi, hotya i ochen' bol'shimi. Izobrazheniya raspolozheny s vnutrennei
i vneshnei storony kol'ca radiusa ,
pri etom vneshnee izobrazhenie obladaet bol'shei yarkost'yu po otnosheniyu k vnutrennemu.
Po mere vse bol'shego udaleniya istochnika ot opticheskoi osi (S stremitsya
k beskonechnosti) vneshnee izobrazhenie vse dal'she budet otryvat'sya ot gravitacionnoi
linzy, a velichina usileniya ego yarkosti q budet padat' i stremit'sya k
edinice. Eto oznachaet, chto na dostatochnom udalenii ot gravitacionnoi linzy usileniya
yarkosti izobrazheniya ne proishodit. Odnovremenno s etim vnutrennee izobrazhenie
nachnet priblizhat'sya k linze (P2 stremitsya k R, gde
R - radius linzy) do teh por, poka ne budet eyu zaekranirovano, pri etom
koefficient usileniya vnutrennego komponenta budet stremit'sya k nulyu (q2
stremitsya k 0). V svoyu ochered', eto budet oznachat', chto vtoroe izobrazhenie ischeznet
iz polya zreniya nablyudatelya. Principial'no kartina ne izmenitsya i v sluchae bol'shego
chisla izobrazhenii. Eshe raz stoit podcherknut', chto otmechennaya osobennost' gravitacionnyh
linz, a imenno, voznikayushaya beskonechnost' koefficienta usileniya, harakterna
dlya vsei fokal'noi poluosi. Podobnaya beskonechnost' poyavlyaetsya i v opticheskih
linzah, tol'ko nablyudaetsya ona vsego v odnoi fokal'noi tochke F = D opticheskoi
osi. Rassmotrennoe beskonechnoe znachenie koefficienta usileniya po fizicheskim
predstavleniyam yavlyaetsya sledstviem priblizheniya geometricheskoi optiki, ignoriruyushei
volnovuyu prirodu sveta. Zakony geometricheskoi optiki primenimy lish' v predel'nom
idealizirovannom sluchae, kogda dlina volny schitaetsya beskonechno maloi velichinoi.
V etom priblizhenii tochechnym istochnikam sootvetstvuyut tochechnye izobrazheniya, porozhdayushie
beskonechnye yarkosti. V volnovoi zhe optike puchok sveta, izluchaemyi dazhe tochechnym
istochnikom, nikogda ne dast tochechnogo izobrazheniya, ego razmery proporcional'ny
dline volny , t.e. vsegda budut konechnymi, a znachit konechnym budet usilenie
izlucheniya. V nashem sluchae dlya ustraneniya beskonechnyh koefficientov usileniya
dostatochno vvesti v rassmotrenie istochnik , imeyushii nekotoryi konechnyi uglovoi
razmer. Svetovoi potok ot takogo ob'ekta posle prohozhdeniya linzy budet formirovat'
konechnye po svoim razmeram izobrazheniya, kak eto vidno iz ris. 5, s konechnymi
znacheniyami koefficienta usileniya q. Eto okazyvaetsya spravedlivym kak
dlya gravitacionnyh, tak i dlya opticheskih linz. Takim obrazom, vmesto beskonechnyh
koefficientov usileniya my mozhem vychislit' bolee otvechayushie real'nosti konechnye
znacheniya etih velichin. Na opticheskoi osi oni budut prinimat' nekotorye maksimal'nye
znacheniya qmax. Vpervye eti velichiny dlya istochnikov s konechnymi
uglovymi razmerami byli rasschitany G. A. Tihovym v 1937 g.
Prezhde chem pereiti k rassmotreniyu konkretnyh primerov nablyudeniya gravitacionno-linzovyh sistem, obratim vnimanie na vozmozhnost' krasivogo resheniya s pomosh'yu gravitacionnyh linz odnoi prakticheskoi zadachi relyativistskoi astrofiziki. Rech' idet ob opredelenii vazhnoi kosmologicheskoi velichiny - postoyannoi Habbla N, harakterizuyushei skorost' rasshireniya Metagalaktiki. Dlya znakomstva s osnovami sovremennoi kosmologii mozhno porekomendovat' uvlekatel'nuyu knigu I. D. Novikova "Evolyuciya Vselennoi" (Moskva, "Nauka", 1990 g.). Bolee konkretno postoyannaya Habbla yavlyaetsya koefficientom proporcional'nosti mezhdu radial'noi skorost'yu "razbeganiya" otdalennyh ob'ektov (galaktik, kvazarov) i rasstoyaniem do nih :
Iz etogo prostogo sootnosheniya vidno, chto skorost' udaleniya ob'ektov tem bol'she, chem dal'she oni raspolozheny ot nablyudatelya. Vazhnym nablyudatel'nym faktom yavlyaetsya otsutstvie zavisimosti postoyannoi Habbla ot uglov nablyudeniya i mestopolozheniya nablyudatelya. Inymi slovami - rasshirenie Metagalaktiki izotropno i odnorodno. Sovremennaya astrofizika raspolagaet neskol'kimi sposobami opredeleniya postoyannoi Habbla, odnako edinogo mneniya otnositel'no ee tochnogo znacheniya sredi astrofizikov poka net. Interval ispol'zuemyh v nastoyashee vremya znachenii velichiny N ves'ma shirok - (50-100) km/(sMps), poetomu bolee tochnoe ee opredelenie yavlyaetsya v nastoyashee vremya odnoi iz samyh aktual'nyh zadach astrofiziki. Obratnaya velichina postoyannoi Habbla imeet razmernost' vremeni (T - 1/N) i daet ocenku prodolzhitel'nosti rasshireniya Metagalaktiki s ego nachala ("Bol'shogo vzryva") do segodnyashnego momenta. Intervalu znachenii N, takim obrazom, sootvetstvuet interval vremeni rasshireniya T priblizitel'no 10-20 milliardov let.
Ideya ispol'zovaniya gravitacionnyh linz dlya opredeleniya postoyannoi Habbla vpervye
byla vyskazana S. Refsdelom za 15 let do otkrytiya gravitacionno-linzovoi sistemy
i daet eshe odin, ochen' sil'nyi, metod ocenki etoi velichiny. V osnove tradicionnyh
sposobov opredeleniya postoyannoi Habbla tak ili inache lezhit ispol'zovanie sootnosheniya
(20), iz kotorogo vidno, chto dlya etoi celi neobhodimo znat' skorosti udalennyh
ob'ektov i rasstoyaniya do nih. Pervaya chast' zadachi ne predstavlyaet bol'shih problem,
poskol'ku luchevye skorosti mozhno ustanovit' po izmereniyam krasnyh smeshenii 
vnegalakticheskih
ob'ektov. Pri malyh skorostyah (v/c<<1) eti dve velichiny svyazany mezhdu
soboi prostym sootnosheniem z = v/c. Pri bol'shih (relyativistskih) skorostyah
eta formula uzhe ne tochna, odnako ostaetsya funkcional'naya zavisimost' mezhdu krasnym
smesheniem i skorost'yu z = z(v). Vtoraya chast' zadachi - opredelenie rasstoyanii
do ob'ektov - stalkivaetsya uzhe s nemalymi trudnostyami, prichem sdelat' eto stanovitsya
tem slozhnee, chem dal'she oni raspolozheny. Ispol'zovanie gravitacionnyh linz dlya
opredeleniya postoyannoi Habbla kak raz i pozvolyaet preodolet' eti oslozhneniya.
Ostanovimsya na etom bolee podrobno, dlya chego snova obratimsya k ris. 3. Traektorii
fotonov 1 i 2, ogibayushie gravitacionnuyu linzu s protivopolozhnyh storon, budut
odinakovoi dliny (L1 = L2) tol'ko v odnom sluchae,
kogda istochnik raspolozhen na pryamoi nablyudatel'-linza (kak i prezhde, podrazumevaetsya
sfericheskaya simmetriya gravitacionnogo polya). Sledovatel'no, odnovremenno izluchennye
fotony v odno i to zhe vremya popadut v teleskop nablyudatelya. Pri smeshenii istochnika
s opticheskoi osi 
eti
fotony budut letet' k nablyudatelyu uzhe raznoe vremya: t1 = L1/c
i t2 = L2/c, tak kak rasstoyaniya, imi prohodimye,
razlichny. Raznica vremeni proleta fotonami rasstoyanii L1 i L2
nazyvaetsya vremenem zaderzhki signala: dt = dL/C. Izmerenie velichiny dt
kak raz i daet vozmozhnost' opredelit' postoyannuyu Habbla. V samom obshem vide
svyaz' mezhdu etimi velichinami vyrazhaetsya sleduyushim obrazom:
V pravoi chasti etogo ravenstva simvolicheski oboznachena funkcional'naya zavisimost' ot nablyudaemyh i model'nyh velichin: - uglovye rasstoyaniya mezhdu gravitacionnoi linzoi i izobrazheniyami, Z - krasnye smesheniya linzy i istochnika, M - massa gravitacionnoi linzy, q- kosmologicheskii parametr zamedleniya, zavisyashii ot konkretnoi kosmologicheskoi modeli. Mozhet poyavit'sya zakonnoe somnenie: izmeryaema li v principe sama velichina zaderzhki dt; poskol'ku neyasno, na pervyi vzglyad, kak markirovat' prihodyashie k nablyudatelyu svetovye puchki 1 i 2. Priroda pomogaet nam i zdes', tak kak bol'shaya chast' otdalennyh linziruemyh istochnikov - kvazary, a eto ob'ekty s peremennoi intensivnost'yu izlucheniya. Esli vzyat' v kachestve nachal'nogo momenta izlucheniya kakuyu-nibud' maksimal'nuyu fazu bleska kvazara, to fiksaciya nablyudatelem etoi fazy dlya luchei 1 i 2 budet proishodit' v raznye momenty vremeni, raznica mezhdu kotorymi ravnyaetsya velichine vremeni zaderzhki dt. Neobhodimo uchityvat' eshe odno vazhnoe obstoyatel'stvo - izmeryaemaya nablyudatelem velichina dt predstavlyaet soboi summu dvuh raznyh po svoei prirode chlenov: dt = dt1 + dt2, odin iz kotoryh yavlyaetsya chisto geometricheskim, drugoi - gravitacionnogo proishozhdeniya. Esli smysl pervogo slagaemogo uzhe ponyaten iz rassmotrennoi geometrii hoda luchei, to poyavlenie vtorogo obuslovleno relyativistskim effektom zamedleniya vremeni v gravitacionnom pole. Pri sravnitel'no nebol'shih rasstoyaniyah do istochnikov oba etih chlena blizki drug k drugu po velichine, odnako dlya udalennyh ob'ektov geometricheskii chlen nachinaet dominirovat'. Pervye ocenki postoyannoi Habbla opisannym sposobom byli sdelany raznymi gruppami issledovatelei s ispol'zovaniem gravitacionno-linzovoi sistemy 0957+561A, V. Zapadno-evropeiskoi gruppoi v rezul'tate analiza 8-letnih nablyudenii za bleskom etogo peremennogo kvazara bylo polucheno znachenie vremeni zaderzhki dt poryadka 415 sutok i sootvetstvenno ogranichenie na velichinu postoyannoi Habbla: N 85 km/(sek'Mps). Etot rezul'tat otnositsya k koncu 80-h godov. Poslednie issledovaniya (90-e gody) dayut bolee nizkie znacheniya velichiny N. V chastnosti, gruppa astronomov SAO (Special'naya Astrofizicheskaya Observatoriya na severnom Kavkaze) po tem zhe ryadam nablyudenii kvazara 0957+561 poluchila bolee vysokoe znachenie vremeni zaderzhki dt poryadka 530 sutok i sootvetstvenno bolee nizkii uroven' ogranicheniya postoyannoi Habbla: N < 68 km/(sek/Mps). Uzhe sam fakt polucheniya raznyh chislovyh rezul'tatov po odnim i tem zhe dannym govorit o tom, chto eta zadacha daleko ne tak prosta, kak moglo by pokazat'sya na pervyi vzglyad. K podobnomu razbrosu rezul'tatov, voobshe govorya, privodyat razlichnye faktory, ostavshiesya za predelami nashego shematicheskogo rassmotreniya. Eto i sohranivshiisya do nastoyashego vremeni nekotoryi proizvol v vybore parametrov modeli gravitacionnoi linzy, razmery i kachestvo ryadov nablyudenii (chem dol'she i tshatel'nei provodyatsya nablyudeniya, tem dostovernei rezul'tat), i, konechno, sam rezul'tat, kotoryi dazhe pri vseh ostal'nyh odinakovyh usloviyah zavisit ot metodiki obrabotki ryadov nablyudenii. Imenno blagodarya modificirovannomu metodu obrabotki nablyudatel'nyh dannyh i byla poluchena astronomami SAO novaya ocenka postoyannoi Habbla.
Astrofiziki ishut gravitacionnye linzy
Deformaciya izobrazhenii istochnikov i usilenie intensivnosti izlucheniya eto osnovnye effekty gravitacioonnyh linz, nablyudatel'nye proyavleniya kotoryh naibolee dostupny dlya issledovanii. S drugoi storony, veroyatnost' nablyudeniya etih effektov dolzhna vozrastat' s uvelicheniem rasstoyanii do istochnikov, poskol'ku vozrastaet vozmozhnost' poyavleniya vblizi svetovyh traektorii bol'shih gravitiruyushih mass. Eto navodit na mysl' o celesoobraznosti poiska gravitacionnyh linz sredi naibolee udalennyh, tesno raspolozhennyh istochnikov s uglovymi rasstoyaniyami mezhdu komponentami ot dolei sekundy do neskol'kih sekund. Takie ob'ekty v prirode sushestvuyut, eto kvazary - kvazizvezdnye vnegalakticheskie ob'ekty (KZO), samye moshnye izluchateli energii v Metagalaktike, mnogie iz kotoryh v desyatki i sotni raz prevoshodyat svetimost' yarkih galaktik. Srazu zhe voznikaet vopros: kakim obrazom mozhno otlichit' "mirazhi" ot fizicheski samostoyatel'nyh blizkih kvazarov i vozmozhno li voobshe eto sdelat'? Zdravyi smysl podskazyvaet, chto esli issleduemye ob'ekty porozhdayutsya odnim istochnikom, to ih "portrety" (fizicheskie harakteristiki) dolzhny byt' identichnymi. Uzhe eto predpolozhenie daet vozmozhnost' sformulirovat' osnovnye nablyudatel'nye kriterii, po kotorym my smogli by uznat' linzirovannye istochniki. Vo-pervyh, u takih ob'ektov dolzhny byt' odinakovymi spektral'nye harakteristiki i opredelyaemye po nim krasnye smesheniya. Vo-vtoryh, pohozhimi okazhutsya fotometricheskie harakteristiki, prichem dlitel'nye nablyudeniya ob'ektov dolzhny ustanovit' tozhdestvennost' haraktera ih peremennosti, esli rech' idet o kvazarah. Nakonec, k vazhneishemu priznaku linziruemosti nuzhno otnesti obnaruzhenie samogo ob'ekta, sozdayushego izobrazheniya istochnika. Odnako, esli bukval'no sledovat' etomu kriteriyu, to mozhno legko vpast' v zabluzhdenie. Naprimer, chernuyu dyru, sozdayushuyu mirazhi, nablyudatel' mozhet i ne obnaruzhit', i v rezul'tate sdelaet nevernyi vyvod. Bolee togo, i sformulirovannye vyshe drugie kriterii tak zhe ne mogut dat' stoprocentnoi garantii v pravil'nosti sdelannoi interpretacii. Vyhod iz etogo odin - vozmozhno bolee polnoe izuchenie ob'ektov, vyhodyashee za ramki osnovnyh kriteriev i sootvetstvuyushih im testov, kotorye hotya i yavlyayutsya neobhodimymi etapami issledovanii, no ne vsegda dostatochnymi. Imenno poetomu issledovatel' obychno podvergaet strogomu testirovaniyu kazhdyi zainteresovavshii ego ob'ekt, a znachit kazhdaya otkrytaya gravitacionnaya linza neizbezhno prohodila vse osnovnye etapy issledovanii. Nachalis' zhe eti otkrytiya, kak nam uzhe izvestno, s dvoinogo kvazara 0957+561A,V.
1. KZO 0957+561 A,V. Issledovaniya etogo ob'ekta provodilis' v nachale 1979 g. s cel'yu otozhdestvleniya opticheskih zvezdoobraznyh istochnikov, blizkih po blesku (okolo 17m) s diskretnym radioistochnikom. Uglovoe rasstoyanie mezhdu komponentami A i V etogo istochnika sootvetstvuet ~ 6", a koordinaty dlya A imeyut znachenie: pryamoe voshozhdenie aA = 09h57m53s i sklonenie dA = 56o08'23". Netrudno zametit', chto koordinaty v priblizhennom vide (s tochnost'yu do minut) vhodyat v nazvanie ob'ekta, yavlyayas' ego kak by "vizitnoi kartochkoi". Neozhidannost' prinesli spektry. U oboih komponentov oni okazalis' tozhdestvennymi. Zatem po emissionnym liniyam spektra SIII 1909 A i SIV 1549 A byli izmereny krasnye smesheniya ob'ektov. Oni takzhe okazalis' prakticheski ravnymi (zA = zB =1,40). Eti fakty i natolknuli astronomov na mysl', chto ob'ekty A i V yavlyayutsya mirazhami odnogo istochnika. Vskore posle vozniknoveniya gipotizy o gravitacionnoi linze byla obnaruzhena sama linza - gigantskaya ellipticheskaya galaktika, raspolozhennaya na pryamoi mezhdu komponentami A i V i na uglovom rasstoyanii = 1" ot V. Izmerenie krasnogo smesheniya galaktiki-linzy dalo predskazannoe znachenie z = 0,39. Umestno zametit' v svyazi s etim, chto krasnye smesheniya yavlyayutsya indikatorami kosmologicheskih rasstoyanii (hotya i dovol'no grubymi), chto vidno iz formuly z = Hr/c (N - postoyannaya Habbla). Oni vyrazhayut rasstoyaniya, v otlichie ot metricheskoi sistemy edinic (sm, m) i astronomicheskoi sistemy (svetovoi god, parsek), bezrazmernym chislom. V sootvetstvii s privedennoi formuloi, chem bol'she rasstoyanie, tem bol'shee znachenie imeet velichina z. Issledovanie galaktiki-linzy pokazali, chto ona yavlyaetsya samym yarkim chlenom skopleniya galaktik. Eto daet osnovanie schitat', chto svoyu leptu v sozdanie izobrazhenii istochnika dolzhno vnosit' i skoplenie, massa kotorogo priblizitel'no na dva poryadka prevyshaet massu galaktiki-linzy, ravnuyu = 1012 Mc, gde Mc - massa Solnca. Nekotorye issledovateli schitayut, chto modeli gravitacionno-linzovoi sistemy, naibolee polno vosproizvodyashie nablyudatel'nye dannye, dolzhny uchityvat' ne tol'ko eti dva vazhnyh faktora, predpolagayushie real'noe raspredelenie veshestva kak v galaktike, tak i v skoplenii. V takuyu model' dolzhna byt' vklyuchena i massa skrytogo ot nablyudatelya veshestva, vhodyashego v sostav skopleniya. Bolee togo, vse realistichnye modeli prognoziruyut sushestvovanie tret'ego izobrazheniya istochnika, raspolozhennogo vnutri galaktiki-linzy vblizi ee yadra. Obnaruzhenie etogo izobrazheniya yavilos' by horoshim podtverzhdeniem osnovnyh principov modelirovaniya gravitacionno-linzovyh sistem tem bolee, chto v poslednee vremya byli polucheny obnadezhivayushie dannye po nablyudeniyam v radiodiapazone. Sredi vseh izvestnyh gravitacionnyh linz ob'ekt 0957+561 k nastoyashemu vremeni izuchen naibolee osnovatel'no, prichem issledovaniya vedutsya v ochen' shirokom diapazone dlin voln ot rentgenovskogo izlucheniya s iskusstvennyh sputnikov Zemli do radiodiapazona. Bol'shoe znachenie astrofiziki pridayut pri etom sistematicheskim nablyudeniyam za bleskom pary "bliznecov". My uzhe znaem, chto uvelichenie ob'ema takih dannyh neobhodimo dlya bolee nadezhnogo opredeleniya vremeni zaderzhki dt svetovogo signala i sootvetstvenno dlya bolee tochnoi ocenki vazhnoi kosmologicheskoi velichiny - postoyannoi Habbla.
2. KZO 1115+080 A,V,S. Otkrytie pervoi gravitacionno-linzovoi sistemy podhlestnulo poiski drugih analogichnyh ob'ektov. Vskore usiliya astrofizikov dali rezul'tat. V processe issledovaniya troinogo kvazara 1115+080 A,V,S vesnoi 1980 g. amerikanskimi astronomami (gruppa Veimana) byli polucheny emissionnye spektry vseh treh sostavlyayushih, okazavshiesya identichnymi. Sovpali takzhe i krasnye smesheniya etih ob'ektov (z = 1,722), izmerennye po naibolee sil'nym emissionnym liniyam spektra CIV 1549 A i CIII 1909 A. Eto i posluzhilo osnovaniem dlya gipotizy o novom kandidate gravitacionnoi linzy. Obrashaet na sebya vnimanie bolee slozhnaya struktura ob'ekta 1115+080 po sravneniyu s sistemoi 0957+561. Krome bol'shego chisla izobrazhenii ego otlichaet ot pervoi gravitacionno-linzovoi sistemy kompaktnost' - vse tri komponenta umestilis' na nebol'shoi ploshadke = 2"h2". Takaya skuchennost' ob'ektov, da eshe pri uslovii znachitel'nogo prevysheniya potoka izlucheniya sostavlyayushei A nad ostal'nymi, zatrudnyaet fotometricheskii i spektral'nyi analiz dvuh drugih (V i S). Sil'nyi istochnik podavlyaet bolee slabye. Tak, esli yarkii komponent A imeet vizual'nuyu zvezdnuyu velichinu, ravnuyu = 15,9m, to zvezdnye velichiny drugih imeyut znacheniya: mv > 19m, ms > 18m, t.e. ih svetovye potoki primerno v 16 i 6 raz slabee, chem u yarkogo soseda A. V sleduyushem 1981 g. ob'ekt A byl razreshen na mnogozerkal'nom teleskope na dve sostavlyayushie A1 i A2, raznesennye na uglovoe rasstoyanie = 0,54". Nemalo usilii prishlos' prilozhit' issledovatelyam na poisk samoi linzy, sozdayushei nablyudaemye izobrazheniya kvazara. Dolgoe vremya ee nikomu ne udavalos' obnaruzhit', poka ne poyavilos' soobshenie o tom, chto eto udalos' sdelat' na observatorii Mauna-Kea, raspolozhennoi na Gavaiskih ostrovah. Mezhdu komponentami A1 i A2 byl vyyavlen slabyi ob'ekt, okazavshiisya galaktikoi. No eto byla ne edinstvennaya galaktika v okrestnosti 1115+080, krome nee byli naideny eshe dve galaktiki s krasnymi smesheniyami: z1 = 0,304 i z2 = 0,306. Naprashivaetsya predpolozhenie, chto vse tri obnaruzhennye galaktiki i sozdayut linzovyi effekt. V pol'zu takoi versii, svidetel'stvuet struktura sistemy izobrazhenii, vyzvannaya neodnorodnym harakterom gravitacionnogo polya linzy. Okonchatel'nyi otvet, ochevidno, budet poluchen v rezul'tate dal'neishih issledovanii - nablyudenii i modelirovaniya etoi slozhnoi sistemy. Soglasno odnoi iz razrabotannyh modelei ozhidaemoe chislo izobrazhenii kvazara 1115+080 ravno dazhe pyati. Bolee togo, v nauchnoi pechati uzhe poyavilos' soobshenie ob obnaruzhenii pyatogo mirazha, no ono nuzhdaetsya v proverke.
My ne stavim svoei cel'yu rasskazat' o vseh gravitacionno-linzovyh sistemah, v etom net neobhodimosti. Cel' drugaya: dat' predstavlenie o vseh izvestnyh tipah makrolinzirovaniya na nekotoryh konkretnyh naibolee interesnyh primerah, hotya i ne vsegda dostoverno podtverzhdennyh. Imenno poetomu dal'neishie primery gravitacionnyh linz budut sledovat' bez strogogo soblyudeniya hronologicheskogo poryadka ih otkrytiya.
3. KZO 2237+0305. Nachalo issledovanii etogo ob'ekta bylo oznamenovano syurprizom. V 1984 g. na Uipplskoi observatorii (SShA) provodilis' nablyudeniya sravnitel'no yarkoi (m = 15m) i nedaleko raspolozhennoi (z = 0,039) spiral'noi galaktiki 2237+0305. Neozhidannost'yu dlya nablyudatelei stalo obnaruzhenie v neposredstvennoi blizosti ot centra galaktiki (0,3") yarkogo ob'ekta, idencificirovannogo kak kvazar. Izmereniya krasnogo smesheniya pokazali ego znachitel'nuyu udalennost' (z = 1,695). Eto oznachalo, chto dva raznyh po svoei prirode ob'ekta okazalis' primerno sovmeshennymi s liniei nablyudatel'-centr galaktiki-kvazara, tak chto poslednii vyglyadel kak by chast'yu galaktiki. Otsyuda neizbezhno sledovalo, chto kvazar dolzhen kakim-to obrazom linzirovat'sya galaktikoi, hotya i ne vpolne yasen byl harakter linzirovaniya. Tak kak bylo polucheno lish' odno izobrazhenie kvazara, mozhno bylo by dopustit' vozmozhnost' usileniya izlucheniya i nekotoroe smeshenie ego polozheniya na nebesnoi sfere ot istinnogo. Pravda, vyskazyvalas' i drugaya tochka zreniya na proishozhdenie etogo "kentavra". Obosnovyvalas' ona s privlecheniem gipotezy "lokal'nyh kvazarov", osnovnaya ideya kotoroi sostoit v tom, chto v raione kvazarov s nekotorym krasnym smesheniem dopuskaetsya vozmozhnost' sushestvovaniya tumannostei s men'shimi krasnymi smesheniyami. I hotya u blizkih kvazarov (maloe z) takie tumannosti nablyudalis', spravedlivost' gipotezy v otnoshenii dalekogo kvazara 2237+0305 trebovala kakih-to dopolnitel'nyh nablyudatel'nyh podtverzhdenii. No ih ne bylo. Protivostoyanie idei bylo razresheno nablyudeniyami ob'ekta 2237+0305 v 1987 g. na 3,6-m teleskope observatorii Mauna-Kea, kogda kvazar byl rassheplen na chetyre zvezdoobraznyh, blizkih po yarkosti ob'ekta. Sistemu chetyreh izobrazhenii A, V, S, D harakterizuet vysokaya stepen' diskretnoi simmetrii, chto dalo povod nazvat' etu sistemu "krestom Einshteina". Maksimal'noe uglovoe rasstoyanie mezhdu komponentami ne prevyshaet ~1,8". Blizost' poluchennyh izobrazhenii drug k drugu sozdaet izvestnye prepyatstviya dlya razdel'nogo izucheniya kazhdogo iz etih ob'ektov, v chastnosti, dlya polucheniya ih spektrov. I eto dolgo ne udavalos' sdelat', no v 1989 g. nedostayushie issledovaniya byli provedeny. Izmereniya pokazali tozhdestvennost' emissionnyh spektrov vseh chetyreh ob'ektov - "kosmicheskaya kriminalistika" skazala svoe slovo. Osnovnoi vklad v sozdanie chetyreh izobrazhenii kvazara, po-vidimomu, vnosit galakticheskoe yadro s nesimmtrichnym (kvadrupol'nym) raspredeleniem gravitiruyushei massy, chto neploho opisyvaetsya sootvetstvuyushei model'yu gravitacionno-linzovoi sistemy. No kartina mozhet okazat'sya slozhnee. Po nablyudeniyam ob'ekta v uzkoi polose emissionnoi linii CIII 1909 A vyyavlen "sled" vozmozhnogo pyatogo izobrazheniya. Esli etot predvaritel'nyi rezul'tat podtverditsya, to i v model' gravitacionnoi linzy pridetsya vnesti dopolnitel'nye korrekcii. Pri modelirovanii sistemy 2237+0305 neobhodimo takzhe uchityvat' effekt mikrolinzirovaniya fonovogo kvazara. Rech' idet ob usilenii izlucheniya istochnika, vyzyvaemogo zvezdami galaktiki pri peresechenii ih traektorii s luchom nablyudatel'-kvazar. Variacii bleska izobrazhenii istochnika mogut byt' ves'ma znachitel'nymi i dostigat' neskol'kih zvezdnyh velichin.
4. KZO 1146+111 V,S. Priroda etogo ob'ekta neyasna do sih por. Razlichnye tochki zreniya na ego proishozhdenie vpolne harakterizuyut stepen' nashego "znaniya", i tem pouchitel'nei mozhet okazat'sya etot primer. Soglasno odnoi gipoteze, dva kvazara 1146+111 V,S, imeyushie primerno odinakovuyu yarkost' (mb = mc = 19), mogut byt' mirazhami odnogo ob'ekta, razdelennymi drug ot druga neobyknovenno bol'shim dlya gravitacionno-linzovoi sistemy rasstoyaniem 157". S drugoi, "konservativnoi", tochki zreniya oni yavlyayutsya fizicheski samostoyatel'nymi kvazarami, imeyushimi, odnako, nekotorye obshie svoistva. Sushestvuyut nablyudatel'nye svidetel'stva kak odnogo, tak i drugogo predpolozheniya.
Vskore posle opublikovaniya v 1979 g. soobsheniya ob izbytochnoi koncentracii kvazarov v nebol'shoi oblasti, centr kotoroi opredelyalsya koordinatami a = 11h46m14s, d = 11o11'42", byli izmereny krasnye smesheniya devyati kvazarov etoi oblasti. U dvuh iz nih (V i S) krasnye smesheniya okazalis' primerno odinakovymi z = 1,01. Ideya gravitacionnyh linz voznikla znachitel'no pozzhe, v 1986 g., kogda bylo vyskazano predpolozhenie o tom, chto stol' vysokoe rassheplenie izobrazhenii moglo byt' vyzvano gravitacionnym polem kosmicheskoi struny. Posledovavshie zatem spektral'nye izmereniya ob'ektov V i S v diapazone 4600-7800 A pokazali tozhdestvennost' spektrov, a utochnennye krasnye smesheniya po emissionnoi linii MgII 2798 A takzhe okazalis' odinakovymi z = 1,012. V toi zhe rabote byla vydvinuta gipoteza o tom, chto linzoi mozhet sluzhit' gigantskaya chernaya dyra s massoi M = 1012Mc. Dal'neishie issledovaniya pary 1146+111 V,S ohladili golovy poklonnikov gravitacionnyh linz - v infrakrasnoi i ul'trafioletovoi oblastyah harakteristiki spektrov okazalis' raznymi. Eto privelo k tomu, chto chast' issledovatelei brosilas' v druguyu krainost', otbrasyvayushuyu gravitacionno-linzovoe proishozhdenie pary V i S. Odnako ukazannye nablyudatel'nye argumenty, hotya i ochen' vazhnye, ne ustranyayut polnost'yu ideyu linzirovaniya. Dostatochno zametit' v svyazi s etim, chto vremya zaderzhki signala dlya dvuh kvazarov sostavlyaet velichinu dt > 1000 let, chto znachitel'no prevyshaet harakternyi masshtab vremeni peremennosti samih kvazarov. Sledstviem etogo mozhet byt', v chastnosti, bol'shaya raznica "zagryaznenii" spektrov, proyavlyayushayasya kak raz v ul'trafioletovom i infrakrasnom diapazonah. Poetomu dlya ustanovleniya istinnoi prirody ob'ekta 1146+111 i emu podobnyh potrebuyutsya, po-vidimomu, drugie, bolee tonkie issledovaniya i kriterii. Vo vsyakom sluchae, privedennye nablyudatel'nye fakty, kak i nekotorye drugie (naprimer, otsutstvie zametnyh fluktuacii mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya na gravitacionnoi linze, svidetel'stvuyushee ne v pol'zu linzirovaniya), dolzhny privodit' k bolee zhestkim ogranicheniyam na model' gravitacionnoi linzy. Odno iz takih ogranichenii privodit, v chastnosti, k neobychno nizkoi otnositel'noi koncentracii barionnoi materii v linze - . Chto eto - proyavlenie skrytoi materii, sostoyashei iz legkih chastic, ili "sled" chego-to takogo, chemu ne pridumano dazhe nazvanie? Skazannoe otnositsya k odinochnoi gravitacionnoi linze toi ili inoi prirody. Odnako sushestvuyut modeli, sostoyashie iz neskol'kih kompaktnyh linz, kotorye takzhe mogut proizvodit' bol'shoe rassheplenie izobrazhenii.
5. KZO 1548+114 A,V. Do sih por privodilis' primery linzirovaniya kvazarov
galaktikami i galakticheskimi skopleniyami (klasterami), ne schitaya ekzoticheskih
sluchaev chernyh dyr, kosmicheskih strun i skrytoi materii. Para kvazarov 1548+114
A,V predstavlyaet soboi, po-vidimomu, edinstvennyi v svoem rode sluchai linzirovaniya
odnim iz chlenov pary drugogo. Eti dva kvazara, otkrytye Vamplerom s sotrudnikami
v 1973 g., dolgoe vremya schitalis' obyknovennoi tesnoi paroi raznyh ob'ektov
s uglovym rasstoyaniem mezhdu nimi = 4,8". Krasnoe smeshenie odnogo iz nih 1548+114
A sostavlyaet velichinu z = 0,44, t.e. raspolozhen on ot nas sravnitel'no
blizko; drugoi kvazar 1548+114 V s krasnym smesheniem z = 1,9 - gorazdo
dal'she pervogo. Takie s ochevidnost'yu raznye ob'ekty i spektry dolzhny imet' neodinakovye,
chto i bylo zafiksirovano nablyudatelyami. Unikal'nost' situacii sostoit v tom,
chto bolee blizkii kvazar A v silu svoei blizosti k linii kvazar V-nablyudatel'
dolzhen neizbezhno linzirovat' bolee otdalennyi ob'ekt V. Vpervye na takuyu vozmozhnost'
astrofiziki obratili vnimanie tol'ko v 1986 g. Odnako real'nost' oslozhnyaetsya
nalichiem treh fonovyh galaktik, raspolozhennyh priblizitel'no v 10" ot kvazarov
i yavlyayushihsya sostavnoi chast'yu galakticheskogo skopleniya. Etot klaster s tremya
galaktikami hotya i vnosit opredelennuyu putanicu v kartinu linzirovaniya, ne ustranyaet
isklyuchitel'noi vozmozhnosti ocenki massy blizkogo kvazara po ego gravitacionnomu
vozdeistviyu na izluchenie dalekogo kvazara. Grubuyu ocenku massy gravitacionnoi
linzy mozhno sdelat' uzhe na osnove prosteishei linzovoi modeli, soderzhashii odin-edinstvennyi
ob'ekt A. No bolee polnaya model', vklyuchayushaya raspredelenie massy v klastere,
massu kvazara A i massy treh galaktik, privodit k bolee strogomu ogranicheniyu
na massu kvazara A: 
i
daet vozmozhnost' ocenit' poverhnostnuyu plotnost' massy skopleniya galaktik: o
< 0,3 g/sm2. Sleduet otmetit' takzhe i vozmozhnost' rasshepleniya
izobrazheniya kvazara V na dva komponenta. Takoe razdvoenie teoreticheski zavisit
ot haraktera raspredeleniya plotnosti veshestva kvazara A. Eto obstoyatel'stvo
otkryvaet vozmozhnosti detal'nogo izucheniya struktury kvazara-linzy, s trudom
poddayushegosya issledovaniyam drugimi metodami. Rassheplenie izobrazheniya kvazara
V, v chastnosti, budet naibolee znachitel'nym, esli ishodit' iz tochechnogo predstavleniya
v modeli kvazara-linzy, togda vtoroe izobrazhenie dlya V dolzhno nahodit'sya v predelah
1" ot linzy. Takaya blizost' dvoinika ot yarkogo ob'ekta nesomnenno zatrudnit
ego poisk, odnako vryad li eto ostanovit astrofizikov.
6. MG 1654+1346 - "kol'co Einshteina". Kol'cevye izobrazheniya istochnikov voznikayut v teh redkih sluchayah, kogda nablyudatel', istochnik i gravitacionnaya linza raspolozheny strogo na odnoi linii. Zdravyi smysl podskazyvaet, chto veroyatnost' podobnyh sobytii nevelika i dolzhna pryamo zaviset' ot razmerov istochnikov izlucheniya: ona budet tem men'she, chem men'shie uglovye razmery imeyut eti istochniki. Otsyuda sleduet, chto dlya nablyudatelya prakticheskuyu cennost' mogut predstavlyat' protyazhennye izluchayushie struktury. No kak raz takie struktury harakterny dlya radioistochnikov, prichem v gorazdo bol'shei stepeni, chem dlya izluchatelei v opticheskom diapazone. Znachit, esli pytat'sya iskat' kol'ca, to delat' eto skoree vsego nuzhno s pomosh'yu radioteleskopov. Nyneshnyaya faza issledovanii gravitacionno-linzovyh sistem podtverzhdaet poka eti soobrazheniya.
Radioistochnik MG 1131+0454 stal pervym udalennym izluchayushim ob'ektom, kol'cevoe
izobrazhenie kotorogo bylo polucheno v 1987 g. s pomosh'yu radiointerferometra VLA
(Very Large Array - Ochen' Bol'shaya Reshetka). Vozmozhno, eto sobytie tak i ostalos'
by schastlivym kur'ezom dlya nablyudatelei, esli by v sleduyushem 1988 g. na toi
zhe sisteme VLA ne byla poluchena eshe odna kol'cevaya struktura ob'ekta MG 1654+1346
na chastotah 1,5 GGc i 5 GGc. Nablyudeniyami byla vyyavlena sleduyushaya kartina radioizobrazheniya
istochnika: krome samogo kol'ca s dvumya maksimumami (A, V) na protivopolozhnyh
ego storonah s rasstoyaniem 2,13", mezhdu nimi byl obnaruzhen bolee slabyi komponent
S na rasstoyanii 6,8" ot centra kol'ca na linii, soedinyayushei dva pika intensivnosti.
Neskol'ko pozzhe v tom zhe godu uzhe v opticheskoi oblasti bylo obnaruzheno eshe dva
ob'ekta - krasnaya galaktika S, raspolozhennaya tochno v centre kol'ca, i goluboi
zvezdnyi ob'ekt Q, lokalizovannyi primerno poseredine mezhdu centrom kol'ca i
radiokomponentom S. Zvezdnyi ob'ekt po harakteru spektra byl identificirovan
kak kvazar, imeyushii krasnoe smeshenie zQ = 1,74. Krasnaya galaktika
raspolozhena znachitel'no blizhe k nablyudatelyu, velichina ee krasnogo smesheniya,
opredelennaya po spektru, okazalas' ravnoi zQ = 0,254. Vse
eti ob'ekty, vidimo, imeyut neposredstvennoe otnoshenie k gravitacionno-linzovoi
sisteme, i ih perechislenie ponadobilos' dlya togo, chtoby pokazat', naskol'ko
real'naya situaciya mozhet byt' slozhnei prostyh shem, rassmotrennyh nami ran'she.
Vsya poluchennaya informaciya daet vozmozhnost' predstavit' sebe kartinu proishodyashego
v celom. Opticheskii kvazar-istochnik A, po-vidimomu, imeet dva protyazhennyh radiolepestka
s maksimal'nymi znacheniyami intensivnosti, lokalizovannymi l'4" po obe ego storony.
Galaktika-linza G sozdaet dva radioizobrazheniya istochnika (kol'co i komponent
S) i odno opticheskoe, neskol'ko usilennoe i smeshennoe ot istinnogo polozheniya.
Model'naya interpretaciya etoi sistemy dala vozmozhnost' rasschitat' mnogie ee parametry,
vazhneishim iz kotoryh yavlyaetsya massa galaktiki-linzy G:
Mc.
Nekotorye issledovateli schitayut, chto effekt linzirovaniya sozdaet ne odna galaktika
G. Osnovaniem dlya takogo mneniya posluzhilo neadekvatnoe vosproizvedenie
nablyudaemoi kartiny sushestvuyushimi modelyami.
Malochislennoe semeistvo kol'cevyh izobrazhenii v 1990 g. popolnilos' eshe odnim, tret'im, kandidatom. U nablyudavshegosya do etogo vremeni dvoinogo radioistochnika, po-vidimomu, linzirovannogo, pri povtornyh radionablyudeniyah byla vyyavlena simmetrichnaya kol'cevaya struktura. Dlya podtverzhdeniya etogo rezul'tata i ustanovleniya podlinnogo statusa etogo ob'ekta, konechno, potrebuyutsya dopolnitel'nye usiliya astrofizikov, chto, vprochem, otnositsya i k dvum drugim, otkrytym ran'she kol'cam.
7. Svetyashayasya duga v skoplenii Abell 370. Samye pervye svedeniya o gigantskih svetyashihsya mezhgalakticheskih dugah byli polucheny amerikanskimi astronomami v 1976 g. v processe realizacii programmy po izucheniyu galakticheskih skoplenii. V sleduyushee desyatiletie proishodilo nakoplenie dannyh ob etih ob'ektah i predprinimalis' popytki ih kak-to ob'yasnit'. Soglasno gipoteze "svetovogo eha", dugi voznikli v rezul'tate rasseyaniya v mezhgalakticheskoi srede vspleska izlucheniya kvazara. Po drugomu predpolozheniyu dugi associirovalis' s udarnoi volnoi, vyzvannoi sverhmoshnym vzryvom kakogo-to ob'ekta v skoplenii, a svechenie dugi sozdayut molodye zvezdy, rozhdenie kotoryh vyzvano frontom udarnoi volny. No, pozhalui, samoe estestvennoe ob'yasnenie fenomena svetyashihsya dug svyazano s ideei gravitacionnogo linzirovaniya, vyskazannoi B. Pashinskim v 1987 g. Izyashestvo etoi idei vmeste s ee otnositel'noi prostotoi i privlekli k nei vnimanie astrofizikov. Vsestoronnie issledovaniya etih neobychnyh ob'ektov v znachitel'noi stepeni ukreplyali pozicii idei linzirovaniya.
S gravitacionno-linzovoi tochki zreniya po strukture i proishozhdeniyu dugoobraznye mirazhi zanimayut kak by promezhutochnoe polozhenie mezhdu kratnymi ob'ektami i kol'cami. Eto horosho illyustriruet ris. 5 s radial'no-simmetrichnoi gravitacionnoi linzoi. Po mere togo, kak istochnik s konechnymi uglovymi razmerami smeshaetsya s opticheskoi osi, gde on otobrazhaetsya linzoi v kol'co, ego izobrazhenie snachalo prevrashaetsya v dva serpa, zatem eti serpy vse bol'she styagivayutsya, i pri dostatochnom udalenii ot opticheskoi osi stanovyatsya prakticheski kopiyami originala po forme. V bolee real'nyh sluchayah dazhe nebol'shih otklonenii ot radial'noi simmetrii takoi mehanizm obrazovaniya dug uzhe neprigoden i dlya ob'yasneniya ih vozniknoveniya prihoditsya primenyat' bolee slozhnye procedury. Neobychaino bol'shie uglovye razmery svetyashihsya dug (> 20") svidetel'stvuyut ob ogromnyh massah linz, sozdayushih mirazhi. Imenno takie massy harakterny dlya skopleniya galaktik, gde eti dugi i nablyudayutsya. Gigantskie zhe razmery klasterov (desyatki uglovyh minut) delayut veroyatnost' pokrytiya imi istochnikov oshutimoi konechnoi velichinoi, chto i privodit k sravnitel'no vysokoi nablyudaemoi chastote etogo yavleniya.
K nastoyashemu momentu v raznyh galakticheskih skopleniyah otkryto okolo desyatka
svetyashihsya dug: Abell 370, Cl 2244-02, Abell 2218, Abell 963, Cl 0024+16 i dr.
Pervye dva iz etih ob'ektov otkryty ran'she drugih i issledovany bolee polno,
poetomu i rassmotrim bolee podrobno odin iz nih - dugu v skoplenii Abell 370.
Na fotoplastinkah eta duga imeet vid yarkogo segmenta okruzhnosti (1/6 ee chast'),
napominayushego elochnuyu girlyandu s lampochkami-galaktikami. V centre krivizny dugi
raspolozhena yarkaya ellipticheskaya galaktika. S protivopolozhnoi storony ot centra
krivizny v raione drugoi gigantskoi ellipticheskoi galaktiki nablyudaetsya eshe
odna korotkaya i slabaya duzhka. Porazhayut voobrazhenie razmery glavnoi dugi: ee
uglovaya dlina ravna 21", chto sootvetstvuet 143 kps, esli prinyat', chto ona raspolozhena
na tom zhe rasstoyanii, chto i klaster (Z = 0,373). Shirina dugi neznachitel'na -
1,36". Na vostochnom ee konce zameten nebol'shoi razryv s posleduyushim utolsheniem.
Ves' kompleks dugi v predelah kruga radiusa (radiusa krivizny 15,1") sostoit,
takim obrazom, iz dvuh osnovnyh komponentov: diffuznoi sostavlyayushei, soderzhashei
dve dugi, odna iz kotoryh imeet ogromnuyu protyazhennost', i galakticheskoi sostavlyayushei,
v kotoruyu vhodyat galaktiki skopleniya. Naselennost' vtoroi komponenty iz-za blizosti
dugi k centru klastera ves'ma znachitel'na i obnaruzhivaet rost plotnosti galaktik
v napravlenii centra skopleniya. Principial'nymi eksperimentami, podtverzhdayushimi
ideyu linzirovaniya, dolzhny byli by stat' spektral'nye issledovaniya dugi. Pri
etom krasnye smesheniya samoi dugi dolzhny znachitel'no prevyshat' velichinu z
dlya chlenov skopleniya. Esli spektry i krasnye smesheniya dlya yarkih galaktik skopleniya
izmerit' ne sostavlyalo bol'shoi problemy, i oni byli izmereny s horoshei tochnost'yu
(z = 0,373), to opredelenie krasnogo smesheniya razrezhennoi diffuznoi sostavlyayushei
(dugi) predstavlyalo nemalye trudnosti. Posle ryada neudachnyh popytok dve gruppy
issledovatelei soobshili o polozhitel'nom reshenii etoi zadachi. V oboih sluchayah
byla nadezhno identificirovana emissionnaya liniya OII 2727 A, po kotoroi bylo
opredeleno krasnoe smeshenie dugi: z = 0,725, t.e. istochnik izlucheniya
nahoditsya pochti vdvoe dal'she skopleniya. Drugim sil'nym podtverzhdeniem idei linzirovaniya
yavilos' vosstanovlenie osnovnyh elementov kompleksa dug Abell 370 v rezul'tate
chislennogo analiza modeli eto - slozhnoi gravitacionno-linzovoi sistemy. V kachestve
linziruemogo istochnika v takoi modeli byla vzyata spiral'naya galaktika, chto vpolne
sootvetstvovalo harakteru spektra dugi. Sama gravitacionnaya linza byla predstavlena
dovol'no slozhnym raspredeleniem veshestva - na odnorodnom fone plotnosti massy
osnovnoi chasti skopleniya (
)
rassmatrivalos' okolo desyatka galaktik, sozdayushih linziruyushii effekt, dve samyh
krupnyh iz kotoryh imeyut massy 
.
V pol'zu gipotezy linzirovaniya svidetel'stvuyut takzhe fotometricheskie dannye
sostavlyayushih kompleksa dug Abell 370. Odnako okonchatel'nyi vybor mehanizma obrazovaniya
svetyashihsya dug v etom skoplenii budet sdelan v budushem, dlya chego potrebuyutsya
novye, kropotlivye issledovaniya, v chastnosti, polyarizacionnye. Vprochem, vozmozhnost'
takogo vybora, esli ona sushestvuet v nauke voobshe, vsegda sopryazhena s dopolnitel'nymi
usiliyami issledovatelei.
POST SCRIPTUM
Kosmicheskie uskoriteli zaryazhennyh chastic, kosmicheskie mazery, prirodnye yadernye reaktory,... i vot teper' "kosmicheskie teleskopy". Priroda sozdaet ne prosto material'nye ob'ekty issledovanii, no i slozhnye "ustroistva", kotorye sami mogut sluzhit' instrumentami issledovanii. Ona ne ustaet snabzhat' nas vsevozmozhnymi ideyami ne tol'ko v oblasti nauki, no i tehniki, tehnologii, v gumanitarnyh sferah (literatura, iskusstvo, filosofiya, pravo...). Vse eto, kazalos' by, svidetel'stvuet o nekotoroi organicheskoi svyazi Prirody i Cheloveka. Chto kasaetsya proishozhdeniya Cheloveka i ego mesta v mire, to tak ono, vidimo, i est', odnako svoei deyatel'nost'yu on vse vremya pytaetsya osparivat' eti rodstvennye svyazi. Chego stoit, naprimer, ego tak nazyvaemye "poznanie" i "osvoenie" Prirody, grozyashie ego sobstvennomu sushestvovaniyu. Vryad li eto nuzhno pripisyvat' mesti Prirody za nanesennyi ei usherb. Priroda mudra, i eti plany unichtozheniya skoree vsego ne vhodyat v ee zamysel - navernoe, ei rano izbavlyat'sya ot nedavno poyavivshegosya na svet "myslyashego embriona" ("myslyashego trostnika", po vyrazheniyu Paskalya). Delo, vidimo, v drugom, a imenno v chrezmernom samomnenii embriona, proyavlyayushemsya v bezuderzhnoi agressii protiv vneshnego mira, a, sledovatel'no, i protiv samogo sebya. Kak, naprimer, on rasporyazhaetsya otpushennym emu razumom i ideyami? Bezdumnym, beskonechnym narashivaniem svoih usilii po osvoeniyu Prirody - sozdaniem razrushitel'noi industrii, vse bolee slozhnyh, chudovishnyh po moshnosti mashin i oruzhiya, opustosheniem nedr i zemnoi poverhnosti, himizaciei vsei zhizni i t.d. i t.p. Takoi process ne mozhet imet' nikakogo polozhitel'nogo smysla, dazhe esli on i nazyvaetsya "progressom". Deyatel'nost' cheloveka skoree napominaet detskuyu igru v kubiki. Besporyadochnoe nagromozhdenie kubikov odnogo na drugoi rano ili pozdno konchaetsya samorazrusheniem vystroennoi konstrukcii. Esli unichtozhit' ves' mir embrion, dazhe "gluboko myslyashii", pozhalui, ne v sostoyanii, to razrushit' svoi dom on mozhet uzhe segodnya, na eto esli ne "razuma", to "umeniya" u nego vpolne hvatit!
No kol' skoro segodnyashnii "progress" chrevat takimi posledstviyami, to mozhet byt' nam poprobovat' pozhit' po chisto prirodnym principam i zakonam? Mozhet byt', priroda, podkidyvaya nam svoi idei i konstrukcii, predlagaet ispol'zovat' ih v chistom vide bez kakogo by to ni bylo privlecheniya "plodov civilizacii"? Zdravyi smysl podskazyvaet, chto i eta vozmozhnost' osushestvima, veroyatno, lish' v sladkih snah i grezah fantastov. Ved' dlya togo, chtoby otkryt' i ispol'zovat' te zhe "kosmicheskie teleskopy", ponadobilis' "plody civilizacii" - sozdannye trudom cheloveka instrumenty. Sushestvuyut li kakie-nibud' drugie, ne stol' opasnye dlya nas, real'nye vozmozhnosti?
Ostaetsya, pozhalui, odna-edinstvennaya, spasitel'naya dlya nas vozmozhnost' - sotrudnichestvo. S kem? Konechno, s ee velichestvom Prirodoi, drugogo partnera u nas poka net. Kak nevozmozhno obychnoe sotrudnichestvo sredi lyudei bez dobrozhelatel'stva i vzaimoponimaniya, tak i zdes' eti dva prekrasnyh chelovecheskih kachestva mozhno vzyat' za osnovu, pereformulirovav ih v vide dvuh principov. Odin iz nih mozhno bylo by opredelit' kak princip minimizacii vreda, ili usherba, kotoryi mozhet byt' nanesen ob'ektu poznaniya (osvoeniya) v okruzhayushem mire, a, znachit, i samomu sub'ektu poznaniya - cheloveku. Eto imeet nekotoruyu analogiyu so starym principom "britvy Okkama", tol'ko v original'noi traktovke britva obrezaet vse, chto ne proveryaetsya opytom i ne svoditsya k intuicii, a v nashem sluchae otmetaetsya vse, chto nanosit Prirode sushestvennyi usherb. Drugoi princip mozhno bylo by sformulirovat' kak razumnoe razdelenie sfer deyatel'nosti - Priroda beret na sebya svoyu chast' deyatel'nosti, chelovek - svoyu. V kachestve illyustracii mozhno soslat'sya na sovremennoe sostoyanie issledovanii v oblasti mikromira. Esli dlya proverki teorii elektroslabyh vzaimodeistvii i otkrytiya W± i Z0 bozonov okazalis' dostatochnymi energii 100 Gev, chto dostupno sovremennoi uskoritel'noi tehnike, to dlya proverki modelei velikogo ob'edineniya, vklyuchayushih elektromagnitnoe, slaboe i sil'noe vzaimodeistviya v odnu shemu, ponadobitsya energiya 1014 Gev i vyshe. Ni o kakih sozdannyh chelovekom monstrah-uskoritelyah, rasschitannyh na takie energii, v obozrimom budushem ne mozhet idti i rechi. I dai nam Bog razuma vozderzhat'sya ot podobnyh proektov na Zemle. Ne proshe li poiskat' istochniki takih energii gde-nibud' v Kosmose? Drugoi primer. Teoriya predskazyvaet sushestvovanie v Kosmose reliktovyh domennyh struktur, otdelennyh drug ot druga tak nazyvaemymi "stenkami" (poverhnostyami), i kosmicheskih strun s kolossal'nymi plotnostyami (bolee 1019 g/sm). Modelirovanie takih sostoyanii veshestva v zemnyh laboratornyh usloviyah nichego, krome krupnyh nepriyatnostei, issledovatelyam (i ne tol'ko im) ne sulit. No vot astrofiziki obnaruzhili chetyre pary dvoinyh galaktik v pole ob'ekta N 0414+00, obladayushih poparno shodnymi svoistvami. Imenno takie pary istochnikov dolzhny nablyudat'sya pri gravitacionnom linzirovanii fonovyh ob'ektov kosmicheskimi strunami. Esli dal'neishie nablyudeniya podtverdyat etu gipotezu, to poyavitsya prekrasnaya vozmozhnost' issledovat' takie reliktovye struktury kak kosmicheskie struny i poluchat' eksperimental'nye ogranicheniya na modeli velikogo ob'edineniya.
Priroda nepreryvno iskushaet cheloveka, vernee, on iskushaetsya eyu, reshayas' poroyu na bezrassudnye meropriyatiya. Mozhet byt', etogo i ne sleduet delat', a vmesto togo, chtoby ryt' zemlyu, dostatochno vzglyanut' na nebo, ili vmesto togo, chtoby bessmyslenno zadirat' golovu vverh, - vsego lish' posmotret' sebe pod nogi. Ne eto li imel vvidu F. Tyutchev, skazav:
"Priroda - sfinks. I tem ona vernei
Svoim iskusom gubit cheloveka,
Chto, mozhet stat'sya, nikakoi ot veka
Zagadki net i ne bylo u nei".
Doroga k Istine daleko ne pryamolineina i ne edinstvenna. Tak religioznyi put' - eto put' Otkroveniya i Very; filosofskii put', ontologicheskii po svoei suti - poznanie bytiya kak takovogo; nauchnoe zhe poznanie baziruetsya na opyte. Sredi prochih dorog chelovek vybral poslednyuyu, mozhet byt', samuyu opasnuyu dlya nego, privodyashuyu uzhe segodnya k stol' razrushitel'nym rezul'tatam. I vryad li on uidet s etoi dorogi, hotya emu i prishlos' by nabit' na nei mnozhestvo shishek i sinyakov. No vozmozhno li poznanie na osnove sformulirovannyh zdes' principov, ved' na pervyi vzglyad oni protivorechivy? Smushat'sya ne stoit: protivorechiya - rezul'tat nepolnogo znaniya, na bolee vysokom urovne poznaniya oni snimutsya. "Luchshee lekarstvo protiv polovinnogo znaniya est' naibol'shee znanie", - pisal A. Puankare. Tol'ko takoe "naibol'shee znanie" i dolzhno, vidimo, stat' cel'yu nauchnogo poznaniya sushestva vida Homo Sapiens. Bez etogo, skoree vsego ne budet vozmozhnoi ni odna iz vybrannyh im dorog: bezrassudnaya detskaya igra v kubiki uzhe v ne ochen' otdalennom budushem mozhet privesti k polnomu ego vyrozhdeniyu.
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
gravitacionnaya linza - kvazary
Publikacii so slovami: gravitacionnaya linza - kvazary | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
