Гравитационные линзы

Известно, что силы тяготения особенно сильно проявляются при взаимодействии массивных космических тел: планет, галактик и других объектов Вселенной. Гравитации  подвержены и элементарные частицы: электроны, протоны, в том числе и фотоны - частицы (кванты) света.

Следовательно, световой луч, проходя вблизи массивного небесного тела (например, звезды, галактики, квазара), изменяет свое первоначальное направление, отклоняясь на некоторый угол  qg - угол преломления световых лучей в гравитационном поле звезды (рис. 1.12), где        rg = - гравитационный радиус - минимальный радиус сжатой гравитационными силами звезды, когда свет (излучение)  не может покинуть ее; с - скорость света в вакууме;

g - гравитационная постоянная; М - масса звезды; р - наименьшее расстояние от невозмущенного светового луча до центра притяжения.

В основе эффекта гравитационной линзы лежит преломление световых лучей в неоднородном поле тяготения, например, звезды, квазара. Сильнее всего в гравитационном поле звезды преломляются те лучи, которые проходят непосредственно у края  ее диска. Для этих лучей                                                  (1.12)

где R - радиус звезды.

Согласно теоретическим  работам Эйнштейна (1915 г.) для Солнца получено значение qg »1,75//   (R»7×108 м,  rg »2,96×103 м).

В 1919 г. при затмении Солнца эксперименты Эддингтона показали, что

                                                 qg »1,98// ±0,18.

Лучи, проходящие у края звезды, после преломления, пересекаются на расстоянии хmin (рис. 1.13, а).

Для остальных лучей область пересечения занимает интервал от хmin до бесконечности (на рис.1.13, а - жирная линия вдоль оси х).

 Следовательно, поле тяготения действует подобно собирающей оптической линзе. Главное отличие гравитационной линзы  от оптической - это отсутствие ее фокуса, но есть фокальная полуось, где можно наблюдать изображение источника света.

Для Солнца хmin » 8,3×1013 м, что много больше, чем расстояние от Земли до Солнца (S »1,5×1011 м). Поэтому с Земли наблюдать линзовый эффект поля тяготения Солнца нельзя.

Ближайшая звезда Проксима (созвездие Центавра) удалена от нас на  ~ 4,3 световых года (1 св. год »9,46×1015 м), т.е. хmin находится между Солнцем и Проксимой. В  принципе любая звезда может служить гравитационной линзой.

Если наблюдатель будет находиться на оси х (например,  в точке М), то он увидит звезду - источник S в виде светлого кольца, окружающего диск фокусирующей звезды S (рис. 1.13, б), так как звезда - линза закрывает для наблюдателя прямые лучи от источника, то преломленные лучи попадают к нему по образующим конуса.

Если наблюдатель сместится в т. N (рис. 1.14, а), находящуюся на некотором расстоянии от оси х, то он увидит вместо светящегося кольца две светящиеся  дуги от двух мнимых   источников S1  и  S2 (“космический мираж”), которые по мере удаления от  оси х будут стягиваться в светящиеся точки пока наблюдатель не выйдет из области фокусировки   (конус лучей с вершиной в т. хmin, рис. 1.14, б).

Из-за различных факторов: рассеяние на неоднородностях космического пространства, характеризующееся  углом Dqr; дифракционное рассеяние, характеризующееся углом  Dqd; гравитационное рассеяние лучей в неоднородных гравитационных полях, характеризующееся  углом Dqg, - преломленные лучи имеют некоторый угол расхождения           Dq=Dqг+Dqd+Dqg.

Угол  Dqr  зависит от свойств среды, расстояния до звезды и длины волны излучения. Дифракционный угол рассеяния лучей не зависит от длины волны. С учетом рассеяния длинноволновая граница lмах смещается в сторону более коротких длин волн. Ограничения со стороны коротких длин волн имеют другой характер. С некоторого значения l0 угол дифракции становится меньше углового размера источника или угла гравитационного рассеяния.

Величины lмах и l0 зависят от некоторых условий наблюдений.

Кроме гравитационных линз, такими свойствами не обладают никакие другие. Известно, что с уменьшением длины волны показатели преломления всех веществ стремятся к единице и оптические линзы перестают работать на коротких волнах, например, в области рентгеновских и g - лучей.

 Отсутствие же коротковолновой границы - характерное свойство гравитационных линз, которые способны фокусировать не только свет, но и рентгеновские и  g-лучи и даже потоки нейтрино.

Таким образом, каждую звезду - линзу окружают в галактике и космосе  миллиарды источников излучения - других звезд, квазаров галактик и каждый  из них создает с противоположной стороны от объекта - линзы области фокусировки, определяемые величиной  хDqd.

В области фокусировки и особенно на полуоси х наблюдается еще один эффект, связанный с гравитационной фокусировкой излучения - возрастание блеска от звезды - источника.

Например, для звезд, подобных Солнцу при rg »104 м, l »5×10-7 м,  коэффициент усиления яркости q »1010, а ширина области фокусировки хDqd»100 м.

Перемещение, вращение звезды - линзы, а также и источника сказывается на эффекте фокусировки, т.е. изображение сдвигается в направлении вращения и фокальная полуось несколько смещается в сторону.

Существует еще один класс массивных объектов - черные дыры, которые характеризуются малыми размерами, но большими массами. Для них прицельный параметр р лучей может быть равен гравитационному радиусу.

Из-за чрезвычайно мощных полей тяготения может произойти захват черной дырой светового луча на ее круговую орбиту. Возможны и другие явления.

К настоящему времени известны примерно двадцать  гравитационных линз.

Фокусировка света в полях тяготения впервые наблюдалась в 1979 г. в  виде двух слабых звездочек в созвездии Большой Медведицы. Спектры их излучения совпали полностью, вплоть до мелочей, что позволило говорить об обнаружении гравитационной линзы.

 Было предположено, что наблюдается двойное изображение одного и того же источника, т.е. наблюдался своего рода “космический мираж”.

Вывод:  В космическом пространстве существуют универсальные природные “телескопы”, для которых линзами служат массивные небесные тела, звезды, квазары и даже целые галактики.

Они способны фокусировать волны любой природы (например, электромагнитные, гравитационные), а также потоки элементарных частиц, включая нейтрино.

 Анализ изображений, наблюдаемых сквозь гравитационные линзы, позволят в принципе определять параметры как самой галактики - линзы, так и источника излучения. Возможно в будущем удастся осуществить прямые измерения межгалактических расстояний, уточнить тонкую структуру ядер галактик и квазаров.