Педагогический альманах ==День за Днем==
 
написать письмо


    Главная

    Новости

    Методика 

    За страницами учебников 

    Библиотека

    Медиаресурсы 

    Школьная библиотека

    Подготовка к ЕГЭ, ГИА

    Одаренные дети

    Проекты

    Мир русской усадьбы

    Экология

    Методический портфолио учителя

    Встречи в учительской

    Творчество педагогов

    Статьи педагогов в журнале "Новый ИМиДЖ"

    Конкурсы профессионального мастерства педагогов

    Творческие страницы

    Рефераты школьников

    Конкурсы школьников

    Альманах детского творчества "Утро"

    Творчество школьников

    Фотогалерея

    Школа фотомастерства

    Доска объявлений

    Полезные ссылки

    Гостевая книга
    Sort

    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

      День за днем : Статьи 

      Статьи  



    В. Жаров, М. Сажин

    Гравитационное линзирование в астрономии

     

    С точки зрения физики вещество, окружающее человека в повседневной жизни, состоит из барионов, лептонов и фотонов, т.е. трех типов стабильных частиц. С позиций же астрономии - это один вид материи, называемой видимой. Однако в 30-е гг. XX в. ученые обнаружили так называемую «темную», не видимую телескопами материю. Ее  существование доказано измерением скоростей звезд нашей Галактики, а также по вращению других звездных систем. В конце XX в. был открыт еще один вид материи, называемой сейчас «квинтэссенцией». Темная материя и квинтэссенция принципиально разные. И если первую в будущем, вероятно, можно будет исследовать в лабораторных условиях, то вторую - только астрономическими методами.

     

    Оценить количество невидимой материи в какой-либо галактике можно несколькими способами. Один из них — гравитационное линзирование, т.е. использование эффекта искривления лучей, проходящих вблизи массивных объектов.
    Что представляет собой этот процесс? Известно, что в природе существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первое отвечает за связь между ядрами и электронами в атоме, обеспечивает силы упругости в твердых телах, трения. Его переносчик — электромагнитное поле, точнее, фотоны, дающие нам основную часть информации о Вселенной. Второе начинает действовать лишь на сверхмалых расстояниях. Третье оказывает влияние на стабильность ядра, связывает в нем протоны и нейтроны. Четвертое стоит особняком, оно универсально: все частицы, независимо от состава, одинаково ускоряются гравитационным полем, что соответствует фундаментальному принципу общей теории относительности. Радиус его действия бесконечен — от лаборатории до масштабов Солнечной системы и даже Вселенной.
     
     
     
    Если угловое расстояние между звездой S и телом L меньше конуса Эйнштейна (пунктир),
    то изображение далекой звезды S превращается в два "лунных серпа",
    зеркально отраженных друг от друга
     

    Напомним: искусственный спутник Земли, электрон и фотон притягиваются массой нашей планеты с одинаковым ускорением, равным 9,8 м/с2. Однако двигаются они по разным траекториям. Форма кривой, по которой перемещается любое тело, зависит от величины и направления его начальной скорости. То есть спутник может лететь вокруг земного шара по эллипсу или по гиперболической траектории. Во втором случае ему необходимо сообщить скорость выше 11 км/с. И гипербола будет тем ближе к прямой линии, чем выше скорость тела, пролетающего мимо Земли. Самая большая в природе — скорость света. Поэтому фотоны движутся почти по прямой линии, хотя ее искривления все-таки наблюдаются. Поясним это следующим образом: если провести две касательные линии к траектории фотона, причем одна из них будет расположена до притягивающего тела, а вторая — после него, то они пересекутся под некоторым углом. Он очень мал. Это явление предсказал великий немецкий ученый, иностранный почетный член АН СССР Альберт Эйнштейн (1879-1955), а открыл американский астроном, иностранный почетный член АН СССР Артур Эддингтон (1882-1944) во время одного из полных солнечных затмений. Сам по себе эффект оказался невелик: луч света от далекой звезды, проходя мимо солнечного лимба, отклонился всего на 1,75".

    Это явление, но значительно меньшей величины, наблюдается также, если луч от далекого источника проходит мимо более близкой к нам звезды. Два луча света, идущие по разные стороны последней и отклоненные от прямого пути, могут пересечься. И наблюдатель, находящийся в этой точке, увидит два изображения одного и того же космического объекта, что по существу и является эффектом гравитационного линзирования.

    В качестве линзы рассмотрим небесное тело, обладающее сферической симметрией (такое же свойство имеет гравитационное поле). Наблюдатель с телескопом высокой разрешающей силы увидит изображение далекой звезды, превратившееся в два «лунных серпа» и зеркально отраженных друг относительно друга. Размеры и блеск их будут различными, но суммарная яркость всегда больше яркости звезды.

    Угловое расстояние между двумя главными изображениями (серпами) примерно равно угловому размеру так называемого конуса Эйнштейна (Конус Эйнштейна — воображаемый круг на небе с центром, совпадающим с центром линзы, размер которого пропорционален квадратному корню из массы линзы и обратно пропорционален квадратному корню из расстояния до нее от Земли (прим. авт.)). Однако когда расстояние между линзой и звездой фона значительно превышает указанную величину, второе изображение либо поглощается веществом линзы, либо его поток становится столь малым, что обнаружить данный серпик невозможно. Это и есть слабое микролинзирование, в ходе которого можно обнаружить только нелинейное движение первого изображения звезды.

    Напомним: гравитационные поля многих космических объектов не обладают сферической симметрией. Поэтому в результате линзирования может возникнуть несколько изображений одного объекта с разной яркостью. Если в качестве линзы выступает какая-либо галактика, то угловое расстояние между различными изображениями составляет примерно секунду дуги, тогда как при микролинзировании на звезде всего миллисекунду. Увидеть два или более изображений в первом случае трудно, хотя можно, во втором же разделить их с Земли нельзя. Однако на помощь приходит фактор переменности в эффекте линзирования. Коротко поясним сказанное.
     
     

    В результате гравитационного линзирования два луча света от звезды S, прошедшие по разные стороны
    от тела L, пересекаются в точке O, где располагается наблюдатель.
    Он увидит два изображения L1 и L2  одной и той же звезды S
     
     
    Все космические тела, в том числе и линзы, движутся. Правда, внегалактические объекты перемещаются по небесной сфере очень медленно: чтобы тот или иной из них «прошел» расстояние в секунду дуги, требуются сотни тысяч лет. В случае линзирования звезд, когда линзой является другая звезда, движение происходит гораздо быстрее, ибо эти объекты ближе к нам, стало быть, угловая скорость их перемещения выше. Представьте себе аналогию: проезжающий автомобиль на фоне отдаленно летящего самолета. Первый ближе, поэтому проходит большее угловое расстояние за то же время. Самолет же дальше, и кажется, будто он движется медленнее.

    Из-за изменения углового расстояния между линзой и звездой меняется суммарный блеск изображений-серпов. Время переменности при микролинзировании составляет от одного до нескольких месяцев.
    Отметим также, что согласно принципу эквивалентности тела разной массы падают в поле тяжести с одинаковым ускорением. Значит, два фотона разной час-готы (т.е. имеющие различную энергию, следовательно, и массу) ускоряются одинаковым образом. Иными словами, фотоны разных участков электромагнитного спектра отклоняются на один и тот же угол в поле тяжести тела — линзы.

    Впервые эффект гравитационной линзы на внегатактических объектах был открыт примерно двадцать лет назад. Наиболее исследованный из них — квазар QSO 0957+561 А, В. Сейчас же насчитывается их свыше полусотни и число постоянно растет. Угловые расстояния между изображениями в разных линзах меняются и составляют от 0,77 до 6", но существуют объекты с расстояниями в десятки угловых секунд. Они возникают, когда роль гравитационной линзы играет скопление галактик.
     
     
     
    Первая хорошо исследованная гравитационная линза  квазар QSO 09570+561A, B
     
     
     
    Крест Эйнштейна. Квазар QSO 2237+030 находится точно позади ядра массивной галактики.
    В результате линзирования образуются четыре изображения, расположенные крестом
     

    Что же касается QSO 0957 +561 А, В, то структура этого объекта детально картографирована, исследование его излучения осуществлено во всем диапазоне — эт радио до оптики. Длительные измерения блеска данного квазара позволили определить постоянную Хаббла (Эдвин Хаббл (1889-1953) — американский астроном, доказал звездную природу внегалактических туманностей, оценил расстояние до некоторых из них, разработал основы их структурной классификации, установил (1929) закономерность разлета галактик. Хаббла постоянная — коэффициент в законе Хаббла, выражающем линейную связь скорости разбегания («разлета») скоплений галактик в зависимости от расстояния до них (прим. ред.)) новым способом. Так как оптические пути, формирующие два изображения, различны, то свет идет по ним разное время. И если в квазаре произойдет вспышка, то она достигнет наблюдателя вначале по кратчайшему пути, лишь затем по длинному, т.е. повторится во втором изображении (в угловой мере эолее близком к галактике-линзе). Измерив разность моментов прихода сигнала, можно определить и разность оптических путей, что в совокупности с известным угловым расстоянием между изображениями позволяет узнать расстояние до квазара и галактики-линзы. Сравнивая его с красным смещением объектов, удастся вычислить и постоянную Хаббла.

    Несколько групп ученых, включая специалистов из Специальной астрофизической обсерватории (станция Зеленчукская, Карачаево-Черкессия), измеряли блеск двух компонентов квазара QSO 0957 + 561 А, В примерно 10 лет. Оценки постоянной Хаббла на основании их наблюдений позволили понизить верхний предел ее значения до 70 км/с/мегапарсек. Такая точность сравнима с результатами, полученными другими методами внегалактической астрономии.

    Другой объект QSO 2237 + 030 назван «Крестом Эйнштейна». Это квазар с красным смещением z = 1,7. Ядро галактики-линзы обладает квадрупольным  (Красное смещение пропорционально разности длины волны спектральной линии от космического источника и длины волны этой же линии, измеренной в неподвижной (лабораторной) системе (прим. авт.);  квадруполь — электрически нейтральная в целом система заряженных частиц, которую можно рассматривать как совокупность двух диполей с равными по величине, но противоположными по знаку дипольными моментами, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (прим. ред.)) распределением плотности, в результате чего образуются четыре изображения квазара, расположенных крестом. В таком объекте, помимо измерения постоянной Хаббла, можно попытаться найти и эффект микролинзирования. Он возникает, когда луч «квазар-Земля» пересекает одна из звезд галактики-линзы. В итоге образуется добавочное расщепление луча, появляются дополнительные изображения и изменения их суммарного блеска. Величина расщепления равна нескольким десяткам микросекунд дуги, что не поддается измерению оптическими методами. Однако изменение блеска составляет десятые доли звездной величины, что может быть измерено современными приборами.

    Микролинзирование в нашей Галактике было обнаружено в начале 1990-х годов. Тогда два коллектива зарубежных исследователей сообщили о результатах поиска массивных невидимых тел в Галактике по эффекту микролинзирования. В частности, австралийско-американская группа MACHO (Massive Compact Halo Objects) в течение года проводила наблюдения ~2 млн звезд в Большом Магеллановом Облаке. В феврале-марте 1993 г. ученые обнаружили: одна из звезд стала ярче в 7 раз, а затем через 34 дня ее блеск вернулся к прежнему уровню. Астрономы сделали это открытие на 1,27-метровом телескопе обсерватории Маунт-Стромло (Австралия).

    В свою очередь, французы — группа EROS (Experience de Recherches d'Objects Sombres) наблюдали 3 млн звезд в Большом Магеллановом Облаке. Они также отметили эффект микролинзирования. Один из объектов повысил свой блеск в 2,5 раза в течение 54 суток, другой — в 3,3 раза за 60 суток. Сейчас известно уже свыше 100 таких событий, произошедших на фоновых звездах указанного Облака.
    В современной астрономии актуальной стала и задача определения принципиальных ограничений точности экспериментов, связанных с нестационарностью нашего пространства-времени. Ведь помимо практических нужд, касающихся космоса и навигации, вопрос о предельной точности позиционных измерений затрагивает одно из фундаментальных физических понятий — возможность построения инерциальной системы отсчета, в качестве реперов (Репер — опорная точка с известными координатами и скоростью (прим. ред.)) которой ныне используют квазары.

    Нестационарность системы координат вызывается изменением направления прихода лучей света (или радиолучей) на телескопы от далеких, т.е. реперных источников. И существуют две причины этого явления. Во-первых, излучающие области нестационарны. Скажем, движение облаков излучающей плазмы во внегалактическом источнике приводит к видимому движению центра яркости и, следовательно, к переменному положению соответствующего реперного источника. Во-вторых, фотон в общем случае движется не по прямой линии. Отклонения возникают, когда он проходит через среду, обладающую показателем преломления, отличным от единицы, что может быть связано с наличием вещества на луче зрения.

    Но существует еще одна причина для распространения света не по прямой линии. Речь идет о нестационарности нашего пространства-времени. Попробуем пояснить основные принципы учета влияния гравитационного поля материальных объектов на построение инерциальной системы отсчета. В астрономии такая система реализуется некоторым количеством объектов, взятых в качестве реперных, и фиксацией физических моментов наблюдений в выбранной системе измерения времени. Сегодня в роли таких реперов как раз и выступают квазары. Их угловые скорости движения очень малы и, значит, поворот системы координат в пространстве тоже невелик. Свет от квазаров к Земле идет по искривленной траектории, определяемой гравитационными полями звезд и других тел нашей Галактики. Однако последние движутся, а потому картина гравитационных полей нестационарна. Соответственно переменной является и траектория луча света от любого квазара к наблюдателю. Все это приводит к изменению положения объекта на небе. Среднеквадратичная величина данных флуктуации является некоторым пределом для определения положения квазара, а также и построения фундаментальных каталогов далеких звезд. Причем угловое отклонение от невозмутденного положения реперного источника, как показывают расчеты, составляет примерно 4 мкс дуги. И это минимальная оценка. Реальные же величины по компьютерному моделированию могут быть в десятки раз больше.

    Кроме того, в конце XX в., изучая эффект микро-линзирования, ученые из групп МАСНО и EROS открыли новую популяцию объектов в нашей Галактике — темные тела с массой -0,1 массы Солнца. Их столько, что они определяют кривую вращения Галактики и составляют минимум половину ее массы. Данные тела распределены неравномерно, поэтому астрометрические наблюдения позволят в будущем установить их плотность в окрестности нашего дневного светила.

    Рассмотрим теперь вопрос об измерении параллаксов (расстояний) небесных тел от Солнечной системы с учетом эффекта слабого микролинзирования. Определение их прямым тригонометрическим методом, проведенное для большинства источников, может изменить существующую ныне шкалу, а это, в свою очередь, приведет к серьезному пересмотру некоторых задач астрономии.
    Необходимо упомянуть: явления, связанные с нестационарностью пространства-времени в нашей Галактике, будут влиять на измерение параллаксов. Поскольку массы и скорости звезд, вызывающих эту нестационарность, в большинстве случаев неизвестны, то восстановить правильные значения расстояний невозможно. А искажения их могут быть столь велики, что параллаксы окажутся отрицательными. До сих пор это ассоциировалось с ошибками измерений. Теперь же необходимо признать: такая ситуация соответствует реальному физическому явлению.

    В заключение отметим: действие нестационарных гравитационных полей нашей Галактики на распространение лучей света приводит к тому, что последние начинают двигаться по искривленным траекториям. Соответственно, направление на источник света не совпадает с прямой, соединяющей его и наблюдателя. И еще. Поскольку поля в Галактике нестационарны, то и направление света тоже меняется со временем. Другими словами, видимое положение источника на небе будет испытывать случайное «дрожание». Этот эффект аналогичен «дрожанию» звезды при прохождении света через турбулентную (Турбулентный — беспорядочный, бурный. Наиболее распространенное течение жидкости или газа, которое характеризуется сильным  перемешиванием, интенсивным массо- и теплообменом (прим. ред.)) атмосферу Земли. Только в данном случае нестационарные течения воздуха приводят к изменению траектории фотонов от звезды в атмосфере. Разница заключается лишь в характерных амплитудах дрожания и временах. Размах вариаций координат, который вызывается микролинзированием, составляет величины порядка 1-50 мкс дуги, а времена — десятки или даже сотни лет. Отдельные «выбросы» могут достичь величин в сотни угловых микросекунд, однако это нестационарные процессы с характерным временем от нескольких месяцев до года. Они не могут оказать существенного влияния на построение фундаментальных астрометрических каталогов. Тем не менее через несколько десятков лет происходит полная смена положения практически всех реперных источников. Стало быть, каталоги высокой точности нужно пересматривать приблизительно каждые тридцать лет для установления новой опорной сетки небесных координат.

    Микролинзирование, таким образом, устанавливает предел определения расстояний во Вселенной точными астрометрическими методами.

    Доктор физико-математических наук Владимир ЖАРОВ, заведующий кафедрой небесной механики, астрометрии и гравиметрии физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, лауреат Премии им. Рене Декарта (Евросоюз);
    доктор физико-математических наук Михаил САЖИН, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова

     
    "Наука в России", № 2, 2007
     
     




    © 2006 - 2018 День за днем. Наука. Культура. Образование