Если вы вдруг не знаете, то крест Эйнштейна - это редкий астрономический эффект, когда одна и та же далёкая галактика или квазар видны сразу в четырёх точках вокруг другой, более близкой галактики (яркой точки).
Явление довольно неплохо описано и изучено, а если вы интересуетесь космосом, то точно встречали такое название в книгах и статьях.
Так происходит из-за гравитационного линзирования. Массивная галактика изгибает пространство вокруг себя, как стеклянная линза, и лучи света от объекта за ней идут к нам обходными путями. Каждый путь даёт отдельное изображение, поэтому на фотографиях телескопов четыре одинаковых световых пятна образуют крестоподобную фигуру вокруг тёмного центра.
Это не порядок звёзд, а оптическая иллюзия Вселенной, подтверждающая общую теорию относительности Эйнштейна. Но есть тут один невероятно интересный и хитрый момент, про который меня однажды, как это часто бывает, спросил человек, мало знакомый с физикой и астрономией... (да, такие вопросы порой интересные, поскольку что дети, что люди "не в теме" иногда очень хорошо умеют тыкнуть в противоречие). Вопрос логичный - а почему именно крест? Неужели свет настолько идеально вырисовывает свой путь и неужели там всего четыре луча?
Ну во-первых, этот крест идеален только на схемах. На деле он куда более странный и больше похож на букву Хэ :)... Во-вторых, на реальных снимках нет ярких точек как от рефлексов. Это скорее зоны от множественного расположения лучей. Сама же странная форма объясняется геометрические.
На изображении ниже показана гравитационная линза и то, как она фокусирует свет от удалённого источника.
Что же увидит наблюдатель, находящийся в плоскости изображения (серая поверхность) на фокальной линии (чёрная линия), глядя на объект (чёрная точка - пусть тут это Солнце)? Если предположить, что Солнце полностью перекрыто (например, коронографом), наблюдатель увидит световые лучи, исходящие от Солнца, огибающие оранжевое тело по всей окружности, то есть знаменитое кольцо Эйнштейна.
Что произойдёт, если объект, который является гравитационной линзой (то есть оранжевый мячик) не идеально сферически симметричен? Во многом это определит распределение лучей в пространстве. Но далеко не факт, что всё остальное вокруг тоже идеальное. Это почти ответ на вопрос.
Масса галактики-линзы искажает пространство симметрично во всех направлениях, и лучи света от далёкого квазара могут пройти к нам по нескольким равноправным оптимальным траекториям. Но это пока линза или тело идеальной формы.
В идеальном случае таких путей бесконечно много, и мы должны были бы видеть не четыре точки, а полное светящееся кольцо. Такое тоже бывает и это кольцо Эйнштейна.
Реальная галактика не идеально круглая. В ней есть неравномерности, звёздные скопления и тёмная материя. Они ломают кольцо, и вместо непрерывного круга остаются несколько отдельных ярких кусочков.
При таком почти круглом, но чуть овальном распределении массы система линзирования даёт не произвольное число изображений, а строго определённые решения уравнений. Да, сугубо математически это прекрасно просчитано и выведено, и даже коррелирует с наблюдениями.
Обычно мы имеем два слабых и два сильных рефлекса - всего четыре максимально устойчивых пути света. Это не случайный выбор, а следствие симметрии и устойчивости траекторий в искажённом пространстве. Три изображения получается крайне редко и нестабильно, пять и больше требуют аномально сложного распределения массы (например, нескольких линз). Поэтому природа выбирает самый простой устойчивый вариант - именно четыре ярких луча, которые мы и называем крестом Эйнштейна. Это допустимое решение общей теории относительности при чуть нарушенной симметрии.
Что же касается геометрической оптики и вырисовывания самого креста - тут всё довольно логично. Поскольку линза оказалась искаженной, то наблюдатель видит лишь те лучи, что остались в главной плоскости и это будет четыре основных направления.
Остальные лучи никогда не смогут попасть в фокальную линию, независимо от того, насколько близко или далеко они проходят от линзы, поскольку после прохождения линзы они уже не распространяются в плоскости, содержащей фокальную линию. Это показано синим лучом света на рисунке выше.
С направления, определяемого синим лучом, свет не достигает наблюдателя. Наблюдатель, глядя назад, в сторону линзы, не увидит света с этого направления. Таким образом, согласно предыдущей диаграмме, наблюдатель увидит пятна света, соответствующие красному и зелёному лучам, но свет, соответствующий синему лучу, никогда не достигнет наблюдателя. Потому мы будем наблюдать закономерные пробелы в этом кольце.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями