Кресты Эйнштейна
Если смотреть на дальний источник света, например квазар, через другой космический объект, то форма источника, его размер или яркость искажаются. По идее свет квазара должен попадать на Землю под прямым углом. Но иногда на его пути встречается очень массивное тело, гравитационное поле которого притягивает к себе электромагнитное излучение, в результате чего путь света изменяется, и мы можем наблюдать интересные оптические эффекты — кольца и кресты Эйнштейна. Это явление называется гравитационным линзированием, поскольку оно сравнимо с отклонением световых лучей от классических стеклянных линз. Оно является подтверждением одного из самых ярких выводов общей теории относительности Эйнштейна: траектория света изменяется в присутствии вещества.
В отличие от оптической, гравитационная линза сильнее всего преломляет свет, проходящий ближе всего к ее центру, и слабее всего — по краям. Поэтому у нее нет точки фокусировки, но зато есть фокальная линия.
Конфигурация оптического эффекта зависит от того, как расположены объекты относительно наблюдателя. Если две галактики идеально выровнены относительно космического телескопа, получается светящееся кольцо. Если на этой же прямой на определенном расстоянии расположена третья галактика, вокруг первого кольца будет видно еще одно, более слабое. Впервые кольцо Эйнштейна наблюдали в 1987 году ученые из Массачусетского технологического института под руководством Жаклин Хьюитт. С тех пор астрономы нашли сотни подобных объектов. А в случае, когда объекты, расположенные спереди и сзади, выровнены относительно наблюдателя неидеально, мы можем увидеть сразу несколько изображений заднего объекта, расположенных вокруг галактики в форме дуг или креста.
Обнаружение четырех световых пятен, формирующих крест вокруг галактики, еще не означает, что это гравитационная линза. Необходимо доказать, что эти световые пятна действительно являются изображениями одного и того же объекта. Для этого проводятся спектроскопические исследования. Долгое время классическим крестом Эйнштейна считалось гравитационно линзированное изображение квазара Q2237+030, расположенного в созвездии Пегаса непосредственно за одноименной спиральной галактикой (которую также называют линзой Хукры в честь американского астронома).
В 2014 году космический телескоп Хаббл запечатлел еще один крест — вспышку сверхновой Рефсдаля, линзированную огромным скоплением галактик MACS J1149 + 2223. Ученые предсказали ее повторное появление, и в 2015 году она вновь показалась, но уже в другом участке галактики. А в марте 2019 года команда итальянских ученых во главе с Даниэлой Беттони из Обсерватории Падуи и Риккардо Скарпой из Канарского института астрофизики с помощью спектроскопии показала, что объект, названный J2211-0350, тоже является крестом Эйнштейна. Наблюдения проводились при помощи Большого Канарского телескопа. Источником света оказалась молодая галактика, которая сейчас находится в 20 млрд световых лет от Земли, а линзой — эллиптическая галактика на расстоянии 7 млрд световых лет.
Преломлять свет таким образом могут не только очень массивные объекты, такие как галактики, но и звезды, даже планеты, однако в таком случае искажения будут незначительными, и зафиксировать их можно лишь с помощью мощнейших оптических приборов. Когда маленькая «линза» проходит между наблюдаемым объектом и наблюдателем, можно заметить небольшое увеличение ее яркости. Если линза сама по себе яркая, это трудно зафиксировать, но если она трудноразличимая или невидимая, такая кратковременная вспышка помогает ее пронаблюдать. С этой точки зрения микролинзирование представляет ценность для астрономов. Например, с его помощью можно обнаружить массивные экзопланеты, а также коричневые карлики — субзвездные объекты с радиусом, приблизительно равным радиусу Юпитера, в недрах которых могут проходить термоядерные реакции.