Гравитационное линзирование сверхновой

Олег Цупко,
кандидат физико-математических наук
Институт космических исследований РАН (Москва)
«Природа» №5, 2017

Недавно произошло небывалое, казалось бы, событие: было заранее определено, где вспыхнет сверхновая, и предсказание полностью оправдалось. На самом деле ничего удивительного в этом факте нет, но, чтобы понять причину первого подобного успеха, придется сделать небольшое введение.

Напомним, что зрение, как и любой другой механизм человеческого восприятия, иногда может быть очень обманчивым. Вообще говоря, мы никогда не видим предметы такими, какие они есть. Во-первых, испущенному или отраженному объектом лучу света нужно время, чтобы дойти до нас, т. е. мы всегда наблюдаем их состояние в прошлом. Разумеется, запаздывание света становится существенным лишь на космических масштабах. Так, на путь от Солнца до Земли лучи тратят около восьми минут. В случае же еще более далеких объектов свету требуется миллионы и миллиарды лет, чтобы добраться до нас. Во-вторых, наше зрительное восприятие настроено на то, что свет распространяется прямолинейно. Если же по разным причинам луч идет к нам по криволинейной траектории, видимые положение и форма предметов искажаются. Например, из-за эффекта преломления изображение при взгляде через оптическую линзу отличается от истинного, ложка в стакане воды кажется сломанной, а глубина водоема — меньшей, чем в действительности. Бывает и еще более интересная ситуация: может существовать несколько траекторий, по которым луч света попадает от предмета нам в глаза. В этом случае видны несколько изображений одного и того же предмета, как это происходит, например, в зеркале.

Рис. 1. Отклонение луча света, проходящего около массивного тела. Угол отклонения тем больше, чем ближе луч оказывается к телу и чем больше масса тела. В результате наблюдаемое угловое положение далекого источника света изменяется из-за гравитационного линзирования

Однако лучи света могут отклоняться от прямолинейного распространения не только из-за эффекта преломления, но и по другим причинам — например, около массивных объектов под действием их гравитации. Современное описание сильно гравитирующих масс основано на Общей теории относительности Эйнштейна (ОТО). ОТО позволяет описывать движение объектов в гравитационном поле более точно, чем закон всемирного тяготения Ньютона. Кроме того, она предсказывает несколько физических эффектов, отсутствующих в ньютоновской теории (собственно, проверка этих эффектов при наблюдении за космическими объектами — их движением, строением, свойствами — и убедила ученых в справедливости ОТО).

В частности, согласно ОТО, лучи света при пролете около массивных объектов отклоняются (рис. 1). Этот эффект и связанные с ним физические явления (круг которых довольно широк) можно обнаружить только в космосе, при астрономических наблюдениях, когда свет движется около очень тяжелых тел. По аналогии с самым известным оптическим инструментом — линзой — его обозначают как гравитационное линзирование.

Лучи света от далеких источников за свой долгий путь по Вселенной к Земле могут отклоняться различными астрономическими объектами: звездами, галактиками, скоплениями галактик. В этом случае звезда, галактика или скопление называется гравитационной линзой, наблюдатель же видит источник не там, где тот на самом деле находится, а в другом месте на небе (см. рис. 1).

Рис. 2. Возникновение двух изображений одного и того же источника при гравитационном линзировании за счет того, что лучи света огибают линзу с двух сторон. В том месте неба, где источник реально находится, он не наблюдается. Справа показано, как это видит наблюдатель

Одно из самых красивых проявлений гравитационного линзирования состоит в возникновении многократных изображений одного и того же источника, если свет идет с разных сторон от линзы (рис. 2). При этом изображения могут быть сильно искажены, что проиллюстрировано на рис. 3. Иногда распределение массы в линзе таково, что существует несколько (более двух) траекторий, по которым лучи могут достичь наблюдателя, — тогда мы увидим на небе столько же изображений, находящихся близко друг от друга. Самый известный пример возникновения нескольких изображений при гравитационном линзировании — так называемый крест Эйнштейна, четыре изображения одного и того же удаленного источника (рис. 4). Таких наблюдательных примеров, в которых есть несколько изображений, уже накоплено больше сотни.

Рис. 3. Возникновение вытянутых дуг и кольца Эйнштейна — Хвольсона при гравитационном линзировании. Чем ближе реальное положение источника к линии, проходящей через наблюдателя и линзу (т. е. к центру картинки), тем более вытянутыми становятся два изображения-дуги. Если источник, линза и наблюдатель находятся на одной прямой, наблюдатель видит одно изображение источника в виде кольца

Гравитационное линзирование сейчас служит мощнейшим астрофизическим инструментом для проверки ОТО, для изучения удаленных объектов, распределения темной материи и крупномасштабной структуры Вселенной, реликтового излучения и даже для открытия планет.

Одно из новых направлений в исследованиях гравитационного линзирования — учет плазмы [1]. При расчете и анализе эффектов гравитационного линзирования обычно считается, что свет распространяется в вакууме. Однако космическая среда заполнена межзвездным газом, который находится в ионизированном состоянии, т. е. реально лучи света на пути от источника к наблюдателю распространяются через плазму. В ее присутствии углы отклонения лучей отличаются от случая вакуума.

Углы отклонения света при одновременном влиянии и гравитации, и плазмы становится существенно сложнее рассчитать. Во-первых, появится дополнительное отклонение за счет неоднородности плазмы, через которую распространяются лучи, т. е. преломление. Во-вторых, гравитационное отклонение само по себе становится другим, если луч движется не в вакууме, а в плазме. А наличие дисперсии (зависимости траектории от частоты света) плазмы приводит к тому, что получающиеся углы отклонения не только отличаются от вакуумных, но и зависят от частоты фотонов.

Рис. 4. Гравитационная линза G2237-0305, часто называемая крестом Эйнштейна, по наблюдениям телескопа «Хаббл». Видны четыре изображения одного и того же квазара (далекого источника, представляющего собой активное ядро галактики — компактную область, окружающую сверхмассивную черную дыру). Этот квазар находится от нас на расстоянии 8 млрд св. лет. Линзой выступает галактика, находящаяся ближе, на расстоянии 400 млн св. лет. Яркое ядро линзирующей галактики видно на этом фото в центре. Считается, что в центре должно быть также пятое изображение квазара, очень слабое и потому трудно выделяемое на фоне галактики-линзы. Изображение: hubblesite.org

Если гравитационная линза окружена плазмой, лучи света разных частот отклоняются на разные углы, т. е. она, подобно призме, раскладывает свет в спектр. В тех гравитационно-линзовых системах, где мы видим несколько изображений, благодаря присутствию плазмы положение этих изображений будет немного различаться при наблюдении на разных частотах (рис. 5). Наиболее существенно этот эффект проявляется для частот радиодиапазона, и попытаться обнаружить его можно, проводя наблюдения на радиотелескопах и сравнивая полученные результаты на разных частотах. Так можно получить информацию о свойствах вещества, окружающего гравитационную линзу, и, кроме того, дополнительно проверить ОТО.

Недавно и пронаблюдали впервые гравитационное линзирование сверхновой, причем сдвинутое по времени. Важная особенность систем типа креста Эйнштейна — то, что свет от каждого изображения идет к наблюдателю дольше, чем если бы он шел по прямой линии в отсутствие линзы. Временная задержка по сравнению с прямолинейным приходом света складывается из двух частей. Во-первых, при наличии гравитационного отклонения удлиняется сама траектория. Во-вторых, свет распространяется через гравитационное поле, а в соответствии с ОТО время около гравитирующих тел идет по-другому — медленнее. Поскольку лучи, формирующие каждое изображение, идут по различным траекториям, то и временная задержка для каждого изображения — немного разная. Значит, если в самом источнике произошло какое-то событие (изменение потока, например), астроном увидит это событие несколько раз в разное время! При этом хорошо, если это событие сильно выделяется на фоне остальных наблюдений, — тогда оно будет хорошо «узнаваемо» в каждом изображении. Взрыв сверхновой — очень удачный кандидат в этом отношении.

Рис. 5. Картина линзирования при наличии плазмы вокруг гравитирующего тела. В этом случае при наблюдениях в разных диапазонах длин волн положение изображений будет различным. Можно сказать, что за счет плазмы изображения размываются в своеобразную радугу. Поскольку для космических условий эти эффекты существенны только для радиодиапазона, получается радиорадуга

Сверхновая звезда, или просто сверхновая, представляет собой резкую вспышку звезды с выделением огромного количества энергии. Такой взрыв происходит в конце эволюции некоторых звезд и по яркости может сравниться с яркостью всей галактики, в которой эта звезда вспыхнула. Для ученых сверхновые представляют большой интерес, так как позволяют «заглянуть» и в теорию строения и эволюции звезд, и даже в космологию.

В 1964 г. норвежский астрофизик С. Рефсдал опубликовал теоретическую работу, в которой описывал гравитационное линзирование сверхновой [2]. Поскольку свет от сверхновой может идти разными путями, а разница между временами движения света по этим траекториям может составлять месяцы и даже больше, наблюдатель сначала увидит сверхновую в одном месте, а позже, через некоторое время, ее же — в другом. Исходя из разницы во времени, по идее Рефсдала, можно определить постоянную Хаббла и массу линзирующей галактики.

Рис. 6. Наблюдение четырех изображений сверхновой при линзировании на одной из галактик, входящих в большое скопление галактик. Изображение: apod.nasa.gov

Впервые пронаблюдать подобное линзирование сверхновой удалось только спустя 50 лет. В ноябре 2014 г. астрономы увидели сразу четыре изображения одной и той же сверхновой [3] (рис. 6). Гравитационной линзой здесь служит одна из галактик в большом скоплении галактик. Эта галактика-линза разделила свет от сверхновой на четыре луча, в результате чего возникло четыре отдельных изображения одной и той же сверхновой. Между этими изображениями наблюдалась временная задержка порядка нескольких дней. Таким образом, астрономы впервые увидели гравитационное линзирование сверхновой; назвать эту сверхновую предложили именем Рефсдала.

Однако все оказалось гораздо интереснее. Галактика, в которой находится вспыхнувшая сверхновая звезда (ее называют «родительской»), линзируется всем скоплением галактик как целым, в результате чего имеется три изображения этой родительской галактики. Значит, должно наблюдаться три изображения сверхновой, в каждом из галактических. Но при этом одно из изображений сверхновой еще дополнительно разделяется на четыре штуки, за счет линзирования на одной из галактик скопления (рис. 7). Именно такие четыре изображения в одном из изображений родительской галактики и наблюдались. Возник вопрос, в какое время произошли или произойдут вспышки сверхновой в двух других изображениях родительской галактики, возникающие за счет линзирования сверхновой на всем скоплении.

Рис. 7. Возникновение нескольких изображений сверхновой Рефсдала, ход лучей. Удаленная галактика (в правом верхнем углу картинки) линзируется огромным скоплением галактик MACSJ1149.5-2223. В результате этого наблюдаются три изображения этой галактики. Свет от нее приходит к наблюдателю тремя разными путями и идет разное время (разница составляет годы). Поэтому сверхновая, вспыхнувшая в линзируемой галактике, должна наблюдаться три раза в разное время. Более того, одно из таких изображений сверхновой еще дополнительно линзируется отдельной галактикой большого скопления, за счет чего оно разделилось на четыре изображения, с временной разницей в несколько дней. Таким образом, можно сказать, что сверхновая Рефсдала участвует сразу в двух линзированиях: на большом скоплении галактик и еще на отдельной галактике из этого скопления. Изображение: spacetelescope.org

В октябре 2015 г. (примерно через год после наблюдения сверхновой Рефсдала) появилась работа, авторы которой моделировали скопление галактик, служащее линзой [4]. В результате моделирования скопления несколькими научными группами было выяснено, что вспышка сверхновой в одном из изображений родительской галактики уже была в прошлом, между 1994 и 2004 гг., но не наблюдалась. А в другом изображении родительской галактики сверхновая должна вспыхнуть в будущем, в течение года. Тем самым ученые предвосхитили, что скоро появится новое изображение сверхновой (рис. 8). Предсказание ученых сбылось: 11 декабря 2015 г. в ожидаемом месте вспыхнула сверхновая [5]. Она появилась именно в том из трех изображений родительской галактики, где и ожидалось (рис. 9).

Рис. 8. Многократное появление сверхновой Рефсдала. В верхнем изображении галактики (внутри верхнего красного кружка) сверхновая была видна примерно 10–20 лет назад, но астрономы не зафиксировали это событие. В нижнем изображении галактики сверхновая вспыхнула в ноябре 2014 г. Ее изображение дополнительно пролинзировалось отдельной галактикой в скоплении, за счет чего разделилось на четыре, с временной разницей в несколько дней. Было предсказано, что в среднем изображении галактик сверхновая вспыхнет в будущем, и это произошло в декабре 2015 г. Изображение: spacetelescope.org

Рис. 9. Появление предсказанного изображения сверхновой. На изображении слева кружком отмечено место, в котором должна была появиться сверхновая. Правее и ниже на этой же картинке видны четыре изображения сверхновой в другом изображении родительской галактики. Вверху справа показаны наблюдения в октябре 2015 г., когда была начата программа наблюдений для детектирования нового появления сверхновой. Справа внизу показано открытие сверхновой 11 декабря 2015 г. Изображение: spacetelescope.org

Итак, сверхновая Рефсдала стала уникальной сразу по двум причинам. Впервые наблюдалось несколько изображений одной и той же сверхновой, наподобие креста Эйнштейна (ноябрь 2014 г.). Кроме того, это первый случай, когда с помощью анализа гравитационного линзирования удалось предсказать следующее появление нового изображения сверхновой (в декабре 2015 г.).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 15-12-30016).

Литература
1. Bisnovatyi-Kogan G. S., Tsupko O. Yu. Gravitational lensing in plasmic medium // Plasma Physics Reports. 2015. V. 41. № 7. P. 562–581 (Физика плазмы. 2015. Т. 41. № 7. С. 609–628.)
2. Refsdal S. On the possibility of determining Hubble’s parameter and the masses of galaxies from the gravitational lens effect // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1964. V. 128. P. 307.
3. Kelly P. L., Rodney S. A., Treu T. et al. Multiple images of a highly magnified supernova formed by an early-type cluster galaxy lens // Science. 2015. V. 347. № 6226. P. 1123–1126.
4. Treu T. «Refsdal» meets popper: comparing predictions of the re-appearance of the multiply imaged Supernova behind MACSJ1149.5+2223 // The Astrophysical Journal. 2016. V. 817. № 1. Article id. 60. (Первоначальная версия статьи в электронном архиве препринтов публикаций arxiv.org появилась 20 октября 2015 г.)
5. Kelly P. L., Rodney S. A., Treu T. et al. Deja vu all over again: the reappearance of Supernova Refsdal // The Astrophysical Journal Letters. 2016. V. 819. № 1. Article id. L8.