Кривые зеркала Вселенной-1

Лектор: (none) 06.10.2006, 14:47

До сих пор разговор шел лишь о разнообразных астрономических объектах и явлениях, истории и свойствах нашего мира. На этот раз речь пойдет скорее об одном из методов астрономических исследований и некотором круге явлений, которые он объединяет - речь пойдет о гравитационном линзировании.


КАК ТЯГОТЕНИЕ ОТКЛОНЯЕТ ЛУЧИ СВЕТА

Отсчет истории гравитационного линзирования часто начинают с 1704 года. Тогда вышло в свет первое издание ньютоновской «Оптики», в которой великий английский физик свел в единую систему почти все знания о свете, накопленные к тому времени человечеством. Книгу замыкает список вопросов, которые остались без ответа, и первый из них - знаменитый

«не действуют ли тела на свет, искривляя своим действием его лучи, и не является ли это воздействие наибольшим на наименьшем расстоянии»?

Здесь астрономы, конечно, лукавят, так как это замечание Ньютон сделал с целью объяснить явление дифракции (огибания светом мелких препятствий), которое не имеет объяснения в рамках ньютоновской оптики - дифракция возникает из-за того, что свет является волной, Ньютон же приписывал свету лишь свойства потока частиц. Несоответствие, впрочем, не помешало астрономам, занимающимся линзированием, отметить трехсотлетие этой отрасли науки в 2004 году.

Ответ на поставленный Ньютоном вопрос дали сразу несколько физиков, но лишь спустя столетие, на границе XVIII и XIX веков.

В Британии до ответа додумался Джон Митчелл, который рассмотрел вопрос об отклонении света в письме своему куда более именитому соотечественнику Генри Кавендишу. Однако знаменитый британский физик был столь странным и недоверчивым, что письмо это осталось неопубликованным. А в историю науки вошла напечатанная двадцатью годами позже работа немца Йохана фон Зольднера.

Зольднер, вполне в духе господствовавшей со времен Ньютона корпускулярной теории, рассмотрел свет как поток частиц. Здесь он сделал смелое для того времени предположение, что каждая частичка света обладает некоторой массой, а раз так, можно рассчитать силу, с которой массивная звезда будет притягивать эту частицу. Зная начальную скорость частицы - скорость света к тому времени уже была известна достаточно точно - можно определить её траекторию. Оказалось, Ньютон был прав - траектория представляла собой кривую линию, которая в геометрии называется гиперболой.

Более того, форма кривой практически не зависела от массы частицы света. Это вполне объяснимо - из школьного курса физики мы помним результаты опытов Галилея: пушечное ядро и пушинка в разреженном воздухе падают одинаково. На самом деле, это утверждение верно лишь для падающих тел, масса которых ничтожна в сравнении с массой Земли - если бы ядро само бы весило, как Земля, оно упало бы примерно в полтора раза быстрее. Но во времена Зольднера, пусть и через двести лет после Галилея, очень смелым было само предположение, что гравитация действует на свет так же, как и на другие тела. Зольднер очень обрадовался, что результат от массы не зависит, так как о массе частичек света тогда ничего не знали. Но его неуверенность хорошо чувствуется в длинных и путанных оправданиях, которыми немецкий астроном сопровождает свои вычисления.


ПЕРВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ

Рисунок 1. При прохождении света от источника S вблизи массивного тела-«линзы» L, луч света отклоняется на угол, обозначенный на рисунке греческой буквой «бета». В итоге, наблюдатель O видит источник не в исходном направлении S, а в направлении S'', чуть отодвинутом линзой от себя и истинного положения источника. Кроме того, возникает еще одно изображение S', с противоположной стороны линзы (чаще всего, оно бывает закрыто самой линзой). Угол отклонения тем больше, чем ближе луч проходит к массивному телу.

В первом приближении, можно считать, что луч света лишь чуть-чуть изгибается вблизи массивного тела, так что вдали от звезды и падающий на нее, и проскочивший ее лучи очень похожи на прямые. Угол между этими прямыми называется углом отклонениия или отклонением - это центральное понятие в теории гравитационного линзирования. Зольднер рассчитал этот угол, и опять, Ньютон оказался прав, - отклонение было обратно пропорционально минимальному расстоянию, на которое луч приближается к звезде, то есть, воздействие массивного тела на свет было наибольшим на наименьшем расстоянии.

Но и для столь массивного тела, как Солнце, на минимальном возможном от него расстоянии - у поверхности, - формула Зольднера давала отклонение чуть меньше одной секунды дуги.

Одна угловая секунда - очень маленький угол, примерно под таким углом видна рублевая монета с расстояния в три километра. К тому же наблюдать звезды на границе солнечного диска можно только во время затмения, и даже в этом случае, разрешение в одну угловую секунду близко к пределу современных Зольднеру телескопов (да и за последующие двести лет наземные телескопы не смогли уйти сильно дальше). Короче говоря, проверять его расчеты никто не стал.

Стоит отметить, что в какой-то мере схожую задачу в 1795 году рассмотрел Пьер-Симон Лаплас - он вычислил радиус тела с плотностью Солнца, с поверхности которого свет не может уйти, т.к. лучи его притяжением самого тела отклоняются так сильно, что возвращаются обратно к поверхности. В наше время подобные тела называют «черными дырами».

Работу Зольднера впоследствии забыли - слишком уж мал был предсказанный ею угол, и слишком уж сложной стала бы проверка этого предсказания.

Кроме того, многие не верили, что свет вообще имеет массу - в течение XIX века большую популярность получила волновая теория света, представлявшая свет не как поток каких-то частиц, а как волну в некоторой универсальной субстанции, заполняющей все пространство - эфире. А если свет не частица, а явление, которое ничего не весит, то и гравитация на него влиять не должна.


АРЕСТ НЕМЕЦКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ

Ничего не знал о статье Зольднера и Эйнштейн. Однако у последнего были несколько очень веских аргументов в пользу того, что свет имеет массу. Во-первых, в начале XX века стало понятно, что свет действительно состоит из частиц - фотонов, хотя при этом и не теряет своих волновых свойств. Во-вторых, Эйнштейн к тому моменту уже создал специальную теорию относительности и вывел свою знаменитую формулу E=mc2, связывающую энергию и массу.

Эйнштейн без труда мог вычислить и саму массу отдельных фотонов - она действительно оказывалась крошечной (около 10-33 грамм для видимого света).

Проделав гораздо более сложные, чем у Зольднера, вычисления - специальная теория относительности куда сложнее ньютоновской механики - он, тем не менее, пришел к тому же результату, получив в 1911 году для отклонения Солнцем все ту же одну угловую секунду.

На этот раз проверка предсказания для угла отклонения показалась учёным куда более интересным занятием.

Во-первых, такой эксперимент проверял уже не ньютонову механику, в справедливости которой до Эйнштейна никто не сомневался, а специальную теорию относительности, в то время все еще требовавшую свежих подтверждений. Во-вторых, прогресс астрономических методов - прежде всего, использование фотографии - позволял надеяться на возможность измерить величину эффекта и сравнить ее с предсказанием. Забавно, что результат Эйнштейна для угла отклонения рассматривался как тест новой физики, ее отличий от классической механики и едва ли не эквивалентности массы и энергии - про то, что такое же значение можно вывести и в классической физике, про результат Зольднера, все забыли!

Прусская академия наук снарядила специальную экспедицию для проверки новой теории. Ближайшее удобное солнечное затмение должно было пройти в Крыму, и именно туда немецкие ученые и отправились. Не учли они лишь одно обстоятельство: шел 1914 год, и до Крыма немцам добраться не дали: началась война, астрономов по приезду в Россию арестовали и вскоре обменяли на захваченных в плен русских офицеров.

Удивительно, но в данном случае незавидная судьба экспедиции оказалась в итоге лишь на руку Эйнштейну:

уже на следующий год он представил миру общую теорию относительности (ОТО), а она предсказывала для угла отклонения значение вдвое больше даваемого формулой Зольднера. Кто знает, как бы физики отнеслись к эйнштейновским теориям, если бы наблюдения затмения завершились «опровержением» специальной теории относительности. А вот предсказание общей теории блестяще подтвердилось в работах Эддингтона и Дайсона при наблюдении солнечного затмения в 1919 году и считается одним из триумфов релятивистской физики.


РЕЗУЛЬТАТЫ ОРЕСТА

Убедившись в том, что массивные тела действительно могут отклонять свет, ученые начали раздумывать, как это их действие можно обратить на пользу науке. И тогда же возник термин «гравитационная линза» - аналогия с обычной стеклянной линзой, также отклоняющей свет, здесь вполне очевидная.

Одним из первых здесь был наш соотечественник, петроградец Орест Данилович Хвольсон. В 1924 году он опубликовал коротенькую заметку «О ложной двойной звезде», в которой показал, что при достаточно большом расстоянии между источником света, объектом-линзой и земным наблюдателем, последний может увидеть не только смещение изображения далекого источника, но и второе изображение, которое без линзы отсутствовало бы (см. рисунок 1). Так как угол отклонения увеличивается при приближении к линзе, второе изображение, как видно на рисунке, всегда появляется с противоположной стороны - лишь бы только оно не было закрыто непрозрачным телом самой линзы (как в случае с отклонением света звезд Солнцем, например).

Более того, как верно заметил Хвольсон, при идеальном совпадении направлений на источник и линзу, два изображения сольются и наблюдатель увидит светящееся кольцо вокруг линзы.


Рисунок 2. Пример кольца Эйнштейна-Хвольсона. Здесь и в качестве линзы, и в качестве источника, выступают далекие галактики. Галактика-линза, которую видно в центре изображения, находится столь близко к направлению на галактику-источник, что ее гравитация превращает изображение источника в кольцо. Объект B1938+66 был открыт с помощью радиотелескопа в результате целенаправленного поиска гравитационных линз, он находится в созвездии Дракона. А данное изображение получено Линси Кинг и ее коллегами с помощью Ближней инфракрасной камеры Космического телескопа имени Хаббла.

В 1936 году Эйнштейн вычислил радиус такого кольца, и сейчас его обычно называют кольцом Эйнштейна, и лишь у педантов можно встретить формулировку «Эйнштейна-Хвольсона» (впрочем, недавно в неопубликованных заметках Эйнштейна были найдены записи 1912 года, свидетельствующие, что Эйнштейн уже тогда задумывался об этом явлении).

Удивительно, но в конце XX века такие кольца действительно были найдены, хотя в качестве источника и линзы у наблюдаемых систем выступают не звезды, а крупные галактики.

Эйнштейн рассчитал расщепление компонент «фиктивной двойной», типичное для звездных масс и межзвездных расстояний. Оно получилось очень небольшим - тысячные доли угловой секунды. Отсюда Эйнштейн и заключил, вполне обоснованно, что шансы в реальности пронаблюдать эффект линзы невелики. Однако великий физик просто предлагал искать не тот эффект и не в том месте.

Продолжение следует…