Среди всех удивительных следствий общей теории относительности (ОТО), разработанной Альбертом Эйнштейном в 1916 году, предсказание гравитационных линз оказалось не самым примечательным для широкой публики. В основе этого явления лежит эффект искривления пространства вблизи массивного тела, а значит, и эффект искривления световых лучей. Для того чтобы наглядно себе представить, как это происходит, обычно советуют обойтись только двумя пространственными измерениями и изобразить весь космос листом бумаги или, ещё лучше, куском ткани, натянутой на жесткую рамку. В отсутствие массивного тела на этой поверхности она остаётся ровной и плоской, в случае же появления такового наша поверхность деформируется, прогибаясь (искривляясь) под его весом.
Эффект отклонения луча далекой звезды в гравитационном поле Солнца был первым наблюдаемым подтверждением ОТО. Обнаружение в 1919 году эффекта искривления светового луча количественно совпало с теоретическими расчётами ОТО — именно это немедленно сделало Эйнштейна знаменитостью. Это был триумф общей теории относительности, которая, без сомнения, несла в себе огромный революционный заряд, кардинальным образом меняя наши представления о пространстве, времени, материи.
Однако одного только искривления пространства недостаточно для гравитационного линзирования — оно должно искривиться таким образом, чтобы луч от далекой звезды мог фокусироваться. Именно поэтому эффект удалось обнаружить только через 60 лет после теоретического предсказания. Но, кроме особенностей самого линзирования, были сложности, связанные с развитием наблюдательной техники. До середины ХХ века в наблюдательной астрономии внегалактическая наблюдательная астрономия делала только свои первые шаги. Вероятность же линзирования на звёздах, то есть совпадения звезды-линзы и линзируемого объекта (звезды, служащей источником света) на одном луче зрения, ничтожно мала — она выражается числом с 18 нулями после запятой. А для галактик она значительно больше, что и подтвердилось в наблюдениях 1979 года. Именно с этого времени гравитационное линзирование стало ещё одним эффективным и действенным инструментом познания Вселенной.
Главная ценность гравитационного линзирования в том, что оно дает информацию не только и не столько о наблюдаемом объекте, изображение которого искажается линзой, сколько о самой линзе, её свойствах и параметрах. Всего различают два вида линзирования — сильное и слабое. При слабом линзировании линза только искажает форму и видимые положения удаленных объектов. При сильном линзировании влияние линзы настолько велико, что изображение наблюдаемого через линзу источника расщепляется на несколько изображений, образующих кольца, дуги и иные более сложные фигуры. Имея изображение, «сделанное» сильной линзой, мы можем восстановить массу её центральной части, а следовательно, если в качестве линзы используется скопление галактик, — массу центральной части скопления. По слабому линзированию мы можем с определенной степенью достоверности оценить форму (вытянутость) удаленных источников, линзируемых скоплением галактик, и из этого получить пространственное распределение массы линзы.
Конечно, сами по себе результаты оценки массы линзирующих галактик и их скоплений представляют определённый интерес для внегалактической астрономии, однако этот интерес заметно возрастает, когда появляется возможность использовать полученные результаты для решения других насущных проблем современной физики и космологии. Одной из таких проблем является проблема тёмного вещества. Ещё в последней четверти ХХ столетия было достоверно установлено, — в частности, по динамике движения галактик и скоплений при их гравитационном взаимодействии, где и пригодилась независимая, не динамическая оценка масс галактик и скоплений, — что видимое вещество (звёзды и газопылевые облака) составляет в наблюдаемой части Вселенной не более 5%, тогда как невидимого вещества приблизительно в 5 раз больше.
И тут-то большая надежда возлагается на гравитационные линзы! Несмотря на все свое оптическое несовершенство даже в сравнении с линзами обычных очков, они позволяют «увидеть» невидимое — вещество, не излучающее ни в одном из оптических диапазонов, тем не менее отклоняет лучи света, приходящие от более удаленных объектов, расщепляя и искажая их изображения.
Но что если воспользоваться этим эффектом для других целей, например, чтобы посмотреть в прошлое? По большому счету ничего не мешает линзам завернуть луч света с земли в обратном направлении. И пока он будет лететь, пройдут миллионы, или даже, миллиарды лет и на землю прилетит «картинка» прошлого. Но есть пару проблем.
1. Угол искривления луча зависит массы искривите, но при слишком близком прохождении луч может завернутся в спираль и остаться у этого объекта. Такое обычно происходит за горизонтом событий чёрной дыры. Производя сложные физические расчеты (прикинуть на глаз) получается, что в лучшем случае за один гравитационный маневр луч искривится на 15-20 °. А обычно меньше, около 1°. А нужно минимум 180°, если удастся построить путь в одной плоскости, что тоже маловероятно. То есть нужно найти путь через множество тяжёлых объектов, а для этого должны быть изучаны громадное количество сверхтяжелых космических тел. К тому же, если мы хотим увидеть какой-то конкретный промежуток времени, например жизнь динозавров, то суммарная длина этого пути должна составлять 233-243 миллиона световых лет.
2. Второй большой проблемой является то, что сама интересующая нас картинка будет очень тусклой, в то время как световой шум на порядки ярче. То есть нужно очень мощное оптическое оборудование и сложные алгоритмы фильтрации изображения, что бы выделить искомое изображение. Для сравнения, сегодняшние ученные работают даже не столько с картинкой с телескопов, а с яркостями отдельных точек. То есть далекие звезды, гораздо большие и яркие, чем наше солнце, в современных телескопах видны парочкой пикселей. До удовлетворения требования нашей цели технологиям, мягко говоря далековато, но не так давно и лампочка была лишь фантазией. Так что надежду терять не стоит.