Гравитационная линза в домашних условиях

Космическая линза заработала!

На этой фотографии — результат эксперимента по созданию аналога гравитационной линзы при помощи материала с переменным коэффициентом преломления. Как видно, эксперимент удался: появились два изображения источника света, находящегося за куском оргстекла. Ниже — подробное описание происходящего.

Все кто смотрел фильм «Интерстеллар», помнят, как устроено гравитационное линзирование. В качестве линзы там выступала вращающаяся черная дыра (см. видео c краткими пояснениями, а также другой пример симуляции такого линзирования), а в качестве объекта наблюдения — целая галактика. Подробно о научной подоплеке фильма «Интерстеллар» можно прочитать в книге Кипа Торна «Наука за кадром».

Напомним, как это работает. Предположим, что между наблюдателем и некоторой далекой звездой находится другой, очень массивный объект. Это может быть черная дыра, галактика или даже целый галактический кластер (скопление галактик).

Схема гравитационного линзирования. На рисунке мы показываем лучи в некоторой плоскости и получаем два изображения звезды. Понятно, что если мы то же самое нарисуем для всех плоскостей, проходящих через линию «наблюдатель — звезда», то получится окружность

Согласно общей теории относительности массивный объект деформирует пространство-время таким образом, что лучи света как бы отклоняются в его сторону. Можно сказать, что массивный объект работает, как своего рода линза космического масштаба. Поэтому мы видим не одно, а несколько изображений далекой звезды. В случае, если гравитационное поле «линзы» сферически симметрично, а сама она находится точно между наблюдателем и звездой, то звезда превратится в окружность — так называемое «кольцо Эйнштейна» (Einstein ring).

На фотографии, сделанной с помощью телескопа ALMA, видно изображение далекой галактики SDP.81, находящейся на расстоянии 11,7 млрд световых лет от нас. Линзирование происходит благодаря скоплению галактик, находящемуся в 3,4 млрд лет от Земли. Фото с сайта eso.org

В более экзотических случаях результатом линзирования может быть дуга или даже крест, образованные сразу несколькими или неоднородными «линзами».

Слева — так называемый Крест Эйнштейна — линзированное изображение квазара (8 млрд световых лет от Земли), расположенного за массивной галактикой (0,4 млрд световых лет от Земли). Справа — почти идеальная дуга, образованная голубой галактикой, гравитационной линзой работает скопление галактик рядом с объектом LRG-4-606, фото с сайта spacetelescope.org

Оказывается, все это можно довольно точно смоделировать в домашних условиях. Для этого понадобится кусок оргстекла, старый мобильник с фонариком (у новых фонарик слишком яркий) и сухой лед. Сухой лед свободно продается в больших городах или добывается из углекислотного огнетушителя (получается дороже, но зато очень познавательно).

Брусок оргстекла (слева) должен иметь отполированные плоско-параллельные грани, а в середине нужна дырка. Справа видно, что грани отполированы хорошо: через них можно без искажений читать текст и ноты известной песни

Разместите источник света и кусок оргстекла, как показано на схеме (вид сверху).

Схема эксперимента: брусок из оргстекла находится между наблюдателем и источником света

Положите в дырку тряпочку или смятую бумагу и убедитесь, что из точки наблюдения фонарик не виден.

Смотрим на источник света через брусок из оргстекла. Виден только рассеянный свет фонарика

Теперь с помощью сухого льда мы будем делать из бруска оргстекла массивную галактику. Для этого вспомним, что показатель преломления оргстекла повышается при понижении температуры. Значит, если мы достаточно быстро и сильно охладим середину бруска, создав градиент температуры, то получим неоднородную среду, в которой луч света будет отклоняться от края к холодной середине. О том, почему так происходит, читайте в заметке «Мираж в оргстекле».

Эта среда будет очень похожа по своим оптическим свойствам на неоднородность пространства-времени рядом с массивным космическим объектом. В этом легко убедиться.

Получив сухой лед, быстро наполняем им полость в оргстекле и накрываем чем-нибудь сверху. Не меняя положения фонарика и бруска, снова наблюдаем. Очень скоро заметим, что наша звезда-фонарик раздвоилась: на самой верхней фотографии ее отлично видно по обе стороны от непрозрачной полости, заполненной сухим льдом. Домашний аналог гравитационной линзы заработал!

Постепенно сухой лед испарится, температура бруска выровняется, и наша «гравитационная линза» снова превратится в обычный кусок оргстекла с дыркой.

Внимательный читатель заметит, что мы не получили окружность Эйнштейна, так как наш эксперимент был сделан фактически на плоскости. На самом деле, совсем несложно подручными средствами получить из звезды окружность. Напишите в комментариях, как мог бы выглядеть такой эксперимент, а мы через некоторое время опубликуем свою версию и сравним. Удачи!

Фото © Михаила Кухаренко.

Михаил Кухаренко