Новая научная статья в журнале "The Astrophysical Journal" опубликовала данные об особенном и очень редком гравитационном линзировании. В чем же заключается проблема явления, называемого "крестом Эйнштейна"?
Как нам известно из общей теории относительности Эйнштейна, присутствие массы искажает само пространство-время.
Если в идеализированном гипотетическом сценарии свет летит через участок пространства без каких-либо искажений, то он движется по прямой. Однако если участок пространства искривлен массой, то фотон света будет следовать этой искривлённой траектории, что в определённых ситуациях приводит к очень интересным эффектам.
Явление гравитационного линзирования было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, и наблюдение этого эффекта стало одним из первых доказательств теории. С тех пор гравитационное линзирование многократно наблюдалось на разных масштабах.
Эффект линзирования зависит от массы линзы, расположения объектов, расстояния и других факторов. На визуализациях чёрных дыр мы тоже видим этот эффект — искажения очень сильные. Массивные и компактные чёрные дыры прекрасно линзируют свет. В качестве линзы может выступать галактика или скопление галактик.
Эффекты гравитационного линзирования можно заметить и в реальных наблюдениях, хотя там видны только отдельные кадры, а не динамика.
Сильное гравитационное линзирование, когда далекие галактики вытягиваются в кольца, заметно усиливает их яркость, увеличивает количество изображений и в редких случаях образует так называемый крест Эйнштейна, о котором мы упоминали ранее.
В кресте Эйнштейна четыре изображения одной и той же галактики выстраиваются в форме креста. Почему так происходит? Всё зависит от расположения и типа линзы. В зависимости от этих факторов могут образовываться не только кресты Эйнштейна, но и кольца.
Схема такова: далеко от нас находится линзируемая галактика или квазар, между ними и нами располагается линза — одиночная массивная галактика или скопление галактик, масса которого и создаёт эффект линзирования.
Если фоновая галактика расположена точно по центру за линзой, возникает симметрия, и формируется кольцо Эйнштейна. Но если фоновая галактика немного смещена относительно центра линзы, при определённых обстоятельствах появляется крест Эйнштейна. Свет одного и того же объекта проходит по четырём разным путям, создавая четыре изображения, расположенные в форме креста.
При этом линза, конечно, не идеальной формы. Если в роли линзы выступает элиптическая галактика, близкая к сферической, эффекты будут другими, а если — сложное скопление галактик, форма линзы ещё более запутанная и эффекты разнообразнее.
Кресты Эйнштейна наблюдаются крайне редко, так как для их возникновения нужны очень особые условия.
В упомянутой научной статье рассказывается о новом случае креста Эйнштейна, который оказался ещё более необычным: в нём наблюдается не четыре, а пять изображений одной и той же галактики, что сильно удивило учёных.
Линзируемая галактика находится на высоком красном смещении, и свет от неё до нас шел около 11,5 миллиардов лет. При этом с учётом расширения Вселенной расстояние между нами и этой галактикой сейчас превышает 21 миллиард световых лет.
В качестве линзы здесь выступает не одна галактика, а группа из четырёх галактик, расположенная примерно в два раза ближе к нам, чем линзируемый объект.
Учёные долго не могли смоделировать наблюдаемые параметры и понять, что именно вызывает пятый образ. Заметили, что гравитационные эффекты видны, а самой массы, способной это объяснить, нет. Тогда возникла гипотеза о тёмной материи.
Когда к модели добавили тёмную материю, научная группа смогла воспроизвести наблюдаемые эффекты. Это ещё не доказывает, что пятая точка — прямое проявление тёмной материи, но модель с её участием лучше всего сходится с реальными наблюдениями.
Изучение этого явления может дать нам возможность лучше понять природу тёмной материи, благодаря чему наше представление о космосе значительно расширится.