Близнюки з околиці Всесвіту

Ми, жителі північної півкулі, з дитинства звикли милуватися цим величезним яскравим сузір’ям. Велика Ведмедиця. Здавалося, сам її фон дихає одвічним спокоєм і безтурботністю. У тому числі для астрономів. Але ось зараз інструменти багатьох обсерваторій світу жадібно вдивляються в цю ділянку неба. Тут вперше виявлені «космічні близнюки». Що це означає?

Як немає на Землі двох абсолютно однакових людей, двох однакових відбитків пальців, так на всьому небі немає двох схожих зірок, галактик або квазарів,— спектральний «портрет» кожного об’єкта несе печатку індивідуальності.

Пара ж квазарів, на яку навесні 1979 року звернули увагу американські астрономи Д. Волш, Р. Карсвелл і Р. Вуейман за багатьма властивостями виявилася вражаючою. Ці два об’єкти можна розрізнити на небі тільки в досить великі телескопи, оскільки вони мають всього лише сімнадцяту зоряну величину і розташовані так тісно, що зображення їх майже зливаються. Здивували, перш за все, спектри квазарів. Вони виявилися абсолютно ідентичними! Червоні зміщення ліній випромінювання спектрів також однакові. Значить в точності рівними є швидкості віддалення від нас (70,7 відсотка швидкості світла) і відстані від нашої планети — близько 10 мільярдів світлових років. Спостережувані, в спектрах лінії поглинання зобов’язані своїм походженням газовій оболонці, зазвичай навколишні квазари, зрушені по відношенню до лінії випромінювання теж напрочуд однаково.

Такого астрономи ще не бачили. Унікальне явище в природі? Небесні «близнюки»? Або подія, можливість спостереження, яке вперше було передбачено десятки років тому? Так, багато дослідників тоді ж запідозрили, що на небосхилі виявлені два зображення одного і того ж об’єкта.

Взагалі кажучи, уявлення про причини, за якими, можуть спостерігатися подібні феномени, склалися досить давно. Перша з них – можливо нетривіальна топологія Всесвіту як цілого. Фрідманівське рішення рівнянь Ейнштейна веде до доказу теорему, що будь-яка топологічна структура світового простору будь вона тор, сфера, циліндр, крендель і т.п. – повинна призводити до виникнення кратних зображень космічних об’єктів. 3а винятком, здавалося б, одного випадку — якщо простір топологічно еквівалентний евклідовій площині.

Але і тоді, а саме якщо геометрія нашого світу проста, зображення кожного джерела на небосхилі не обов’язково повинно, бути одноразовим. І тут ми переходимо до другої причини, на яку, мабуть, вперше в 1924 на яку вказав професор Петербурзького університету Орест Данилович Хвольсон: завдяки «грі» потужних полів гравітації одне і те ж джерело може спостерігатися у вигляді набору зображень.

У 1936 році Альберт Ейнштейн опублікував в журналі «Сайенс» замітку, де та ж можливість спостереження розглянута більш детально. А з теорії, зокрема, випливає, що промінь світла, що проходить поблизу масивної зірки, повинен відхилятися її гравітаційним полем (до речі, що проводилися під час сонячних затемнень неодноразові експериментальні перевірки цього слідства теорії повністю підтвердилися: Сонце відхиляє зоряні промені, що проходять поблизу нього на кут, дуже близький до розрахункового). Іншими словами, сильне гравітаційне поле грає роль своєрідної лінзи. Ця лінза може проявити себе в двох спостережних ефектах. З одного боку, за рахунок фокусування концентрація світлового потоку здатна зрости в десятки і сотні разів, і, значить, загальна яскравість спостережуваних об’єктів буде значно більше, ніж вона була б за відсутності гравітаційної лінзи. І крім того, «ущільнення» поля тяжіння, що зустрілося на шляху поширення променів далекого об’єкта, може привести до того, що ми побачимо два зображення одного і того ж джерела. Як же це може статися?

Припустимо, ми досліджуємо квазар. Якщо десь поблизу уявної прямої, що з’єднує око телескопа з цим джерелом, випадково виявиться, тіло величезною масою, то відбудеться наступне, частина потоку електромагнітного випромінювання прийде до нас по найкоротшому шляху, близькому до прямої лінії. Інша частина, випущена квазаром в іншому напрямку, досягнувши тяжіючої маси, випробувавши заломлення, і в результаті також може потрапити в поле зору спостерігача. І оскільки два потоки від одного джерела в цьому випадку прийдуть під деяким кутом один до одного, ми побачимо на небосхилі парне зображення одного і того ж фізичного тіла.

У своїй публікації Ейнштейн розглядав в якості фокусуючої маси зірки нашої Галактики. І прийшов до висновку, що ефект зоряної лінзи настільки малий, що ймовірність його спостереження практично незначна. Однак роком пізніше відомий астроном Ф. Цвіккі показав, що ту ж саму роль гравітаційної лінзи можуть грати галактики. І в цьому випадку, оскільки маса галактик в мільярди разів перевищує масу окремої зірки, передбачений ефект цілком може бути виявлений.

З тих пір було опубліковано безліч теоретичних робіт в яких розглядалися можливі умови спостереження крайніх зображень одного і того ж космічного об’єкта. Стало ясно, що механізм фокусування світлових променів гравітаційною лінзою далеко не простий. Випробувавши заломлення, потоки випромінювання будуть збиратися не в одній точці, а на поверхні деякого конуса. Якщо спостерігач знаходиться поза цим конусом, він побачить тільки одне не сфокусоване зображення джерела. Якщо ж він розташовується всередині конуса, то завдяки фокусуванню помітить відразу кілька зображень небесного об’єкта.

Що стосується галактик, то оскільки їх радіус незмірно більше радіуса окремої зірки, фокусна відстань утворених ними гравітаційних лінз відповідно більше. Для більшості галактик це мільярди світлових років. Але саме на таких відстанях знаходяться від нас найдальші зоряні острови і квазари. І значить, ми цілком можемо опинитися в одному з фокусів і спостерігати… космічні міражі.

Дослідження показали, що кількість зображення, строго кажучи, завжди має бути непарною: поза конусом — одна, всередині конуса — як мінімум три. (Що стосується парного зображення квазара 0957 + 561 А, В, про який піде мова нижче, то, на думку астрономів, його третє зображення злилося або з галактикою-лінзою, або знаходиться настільки близько в компоненті В пари, що їх не вдається побачити роздільно). Але зображень може бути і п’ять, і більше. Це зокрема, відбудеться в тому випадку, якщо галактика-лінза має спіральні рукави, кожен з яких формує свій портрет далекого об’єкта.

Сюрпризи Q 0957 + 561 А, В

Символи в назві об’єкта, що розбурхали астрономічну думки, суть наступні: Q — значить квазар, цифри – його небесні координати, А і В — свідчення, що він складається з двох компонент.

Минуло зовсім небагато часу з дня виявлення екзотичної небесної пари, але колізій, що супроводжували її вивчення, виявилося предостатньо. Реальні властивості, що проектуються на область Великої Ведмедиці двох слабо світних точок виявилися куди більш складними і загадковими, ніж вони представлялися в перші місяці після їх відкриття. Події розвивалися так.

Навесні 1979 року на адресу розташованої на Північному Кавказі спеціальної астрофізичної обсерваторії (CAO) прийшла телеграма з найбільшої американської обсерваторії Кіт-Пік. У ній містилося прохання зробити глибокі знімки (тобто до гранично слабких об’єктів) області подвійного квазару 0957 + 561. Завдання полягало в тому, щоб спробувати знайти в просторі між зображеннями-близнюками (їх спектральна ідентичність незадовго до цього була встановлена на Кит-Пік) те масивне тіло, яке і відповідає за «роздвоєння особистості» квазара.

Під керівництвом завідувача відділом позагалактичної астрономії і релятивістської астрофізики CAO Ігоря Караченцева такі знімки були зроблені на тоді найбільшому в світі телескопі БТА-6. І незважаючи на найвищу якість — переглядали зникаюче слабкі об’єкти 25-26-ї зоряної величини,— в «потрібному» місці виявити нічого не вдалося. З тим же «успіхом» на межі можливостей попрацювали телескопи інших обсерваторій світу. Тим часом згідно з гіпотезою гравітаційної лінзи таке проміжне тіло повинно бути обов’язково. Де ж воно ховається?

Дещо раніше на обсерваторії Кіт-Пік виявили іншу дивину. Південне зображення подвійного квазара (компонента В) за своїм видимим кольором було істотно червоніше Північного (компонента П). Але ж світло-то приходить від одного і того ж джерела! Це було так само несподівано, як побачити в дзеркалах своє подвійне секундне відображення. Але в різних колірних відтінках. Чому ж В червоніше А?

В обох півкулях телескопи продовжували все пильніше вдивлятися в поведінку небесної двійні. І сюрпризи ще більш делікатної властивості не змусили себе чекати.

Так, розсудили спостерігачі, оптичні спектри пари збігаються навіть в деталях і це, здавалося б незаперечний аргумент на користь ідеї гравітаційної лінзи. Але давайте все-таки дослідимо феномен в інших діапазонах електромагнітного спектра.

До справи підключилися радіоастрономи. За допомогою так званої системи апертурного синтезу вдалося побудувати радіо зображення спостережуваної пари. І знову незрозуміле, вони відрізняються один від одного. Так може бути ми все таки бачимо два різних квазари? Зрештою, якщо ці об’єкти сформувалися і еволюціонували в одній і тій же досить компактній (за космічними мірками) області простору, то за рахунок схожості фізичної природи і віку, чому б їх спектрам не бути в такій мірі ідентичними? Відмінність структур радіовипромінюючих областей, помітили скептики, говорить про те, що скоріше за все ми спостерігаємо справжню, а не уявну пару квазарів. І прийнявши за основу останню гіпотезу, приступили до ретельного її аналізу. І зіткнулися з труднощами, які не вдалося подолати…

Йшли місяці, а ситуація швидше заплутувалася, ніж прояснювалася. Безсумнівно залишалося одне: необхідні нові, все більш витончені спостережні підходи. І перш за все треба було шукати «зниклу» галактику-лінзу.

Коли в комплексі з американським п’ятиметровим маунт-паломарським телескопом використовували унікальну телевізійну двомірну систему і з її допомогою здійснили детальне цифрове прописування профілю зображень А і В, невидимка видала свою присутність. Виявилося, що в променях червоного кольору Південний член пари має дещо більш протяжний профіль, ніж у сусіда. Вирахували з більшого профілю менший і отримали… галактику. По променю зору вона відстоїть від південного зображення на віддаленні всього лише 0,8 кутової секунди. А такі тісні об’єкти можна побачити окремо навіть в кращі оптичні телескопи тільки при ідеальних умовах спостереження.

Тепер, коли стало очевидно, що промінь, що дає Південне (і, як ми вже знаємо, більш червоне) зображення, по суті, проходить через галактичне середовище, з’явилося переконливе пояснення різнобарвності близнюків: до власної червоності Південного променя додається червоне випромінювання зірок галактики. Ваги, здавалося б, хитнулися в бік гіпотези гравітаційної лінзи.

Спостерігачі, які протягом багатьох місяців стежили за подвійним квазаром, не виявили у нього скільки-небудь помітної зміни блиску (тим часом зазвичай квазари — змінні джерела). Вважаючи його випромінювання постійним, вони, по суті, перестали стежити за цією характеристикою. Астрономи продовжували на БТА-6 виписувати криві блиску. І виявили явища, одне з яких виявилося особливо вражаючим.

Досі майже «врівноважений» квазар почав круто змінювати вдачу і за короткий період змінив свою світність на десятки відсотків. Північний об’єкт, трохи яскравіший, ніж Південний, раптом почав слабшати, тоді як його побратим, навпаки, почав «розквітати». Але якщо ми бачимо дві «половинки» одного і того ж квазара, питається, як таке може відбуватися?

Повернемо проблему в площину фантастичного варіанту і уявимо собі наступну ситуацію. З околиці Всесвіту, точніше, від об’єкта А подвійного квазара 0957 + 561, ми тривалий час приймаємо телепередачу, ведучий якої, квазарянин, істота розумна і емоційна. На самому початку програми він посміхається, через якийсь час стає стурбованим, потім сердиться, сумує, тривожиться… Паралельно ми за допомогою іншого комплекту апаратури (і звичайно, як і в першому випадку — на гостро спрямовану антену) ведемо телеприйом від об’єкта В. Спочатку з подивом помічаємо, що зображення взагалі немає, а коли вже знайомий нам ведучий з’являється на другому екрані, його емоційні прояви зовсім не збігаються з тими, що ми бачимо на першому. Але ми ж знаємо, що передача ведеться з однієї і тієї ж студії, притому один раз!

Що ж, якщо ми маємо справу з гравітаційною лінзою, послідовність подій, які ми спостерігаємо, на думку, повинна бути спочатку саме такою. Адже як вже було помічено, частина потоку електромагнітного випромінювання (в даному випадку — несучого телезображення) прийде до нас від квазара по найкоротшому шляху. Інша, випромінена далеким передавачем не в напрямку Землі, досягнувши масивної галактики, зазнає заломлення і також досягне наших антен. Другий шлях, природно, довший, тому телевізійний сигнал, що йде по кривій, по фазі неминуче буде запізнюватися по відношенню до сигналу, що поширюється прямолінійно. Це, так би мовити, геометрична причина розбіжності подій на екранах.

Якщо, однак, діяла б тільки вона одна, величина запізнювання, за розрахунками, була приблизно вдвічі менше тієї, яка повинна мати місце в дійсності. В якості додаткового «гальма» сигналу, що огинає зоряне скупчення, виступає релятивістський ефект. Бо відповідно до загальної теорії відносності течія часу поблизу дуже масивних об’єктів сповільнюється, значить, швидкість проходження сигналу в гравітаційному полі галактики зменшиться.

Тому, якщо нескінченну інозоряну передачу ми будемо дивитися і далі, то наше терпіння буде винагороджено: вся гамма пристрастей ведучого, відображена на першому екрані, через місяці або роки в точності (немов у відеозапису) повториться на другому.

Ну, а тепер, обернувшись до дійсності, замінивши фази емоцій нашого квазарянина на справжні варіації блиску квазара, ми приходимо до розуміння, що записи варіацій блиску компонент А і В за своєю формою принципово не можуть збігтися миттєво.

Ось чому зареєстровані в обсерваторії на Північному Кавказі «дивацтва» в поведінці пари могли здатися такими лише на перший погляд. Інше питання – яка величина тимчасової «розсудки», обумовлена згаданими двома причинами? І чи можемо ми взагалі бути впевненими, що через якийсь час характер змінності одного зображення виявиться адекватним попередній змінності його сусіда?

Ситуація далеко не проста. Про цікаву «песимістичну» ідею професора Рефсдала розповів автору Вікторій Шварцман. Не виключено, вважає норвезький вчений, що зірки всередині галактики-лінзи інтенсивно і притому хаотично рухаються. Це обумовлює змінність гравітаційного поля на траєкторії галактичного променя, значить, змінюється в часі його фокусування, змінюється, як наслідок, і щільність світлового потоку, що формує зображення компоненти В. Таким чином, якщо зміна блиску Північного зображення в точності відображає змінність самого квазара, то змінність Південного обумовлена перш за все динамікою зірок в проміжній галактиці. І в цьому випадку криві блиску досліджуваної пари можуть не збігтися ніколи.

Звичайно, це тільки гіпотеза. Якщо вона «не працює» і діють лише два фактори затримки, про які було сказано вище, то «відлуння» раніше або пізніше має бути почуте. Підрахунки свідчать, говорить Шварцман, що розсування в часі між «фазами поведінки» одного й іншого зображення може скласти 5-6 років. У всякому разі, протягом двох минулих років спостережень варіації блиску поки не повторювали один одного. А раз так, у скептиків буде залишатися причина оскаржувати в цілому гіпотезу гравітаційної лінзи.

Але давайте простежимо за нашою Одіссеєю далі, адже багатство подій далеко не вичерпано. Незабаром американські астрономи виявили, що і в радіодіапазоні потужність випромінювання обох компонент змінюється. Сталося так, що в цей же самий час Бескін і Шварцман спостерігали на шестиметровому телескопі, як змінюються потоки від «близнюків» в ультрафіолетовому діапазоні електромагнітних хвиль. Коли дані вимірювань зіставили, чітко позначилося, що ультрафіолетове і радіовипромінювання змінюються синхронно. Це додало впевненості, що спостерігається дійсно розщеплене зображення одного і того ж тіла. Уявити собі таку синхронну змінність у двох різних квазарів майже немислимо.

У той же час дослідження подвійного квазара тривало не тільки на обсерваторіях багатьох країн світу, але і з космічних апаратів. Зі спеціалізованого супутника були отримані ультрафіолетові спектри пари – практично вони виявилися однаковими. Більш того, відношення ультрафіолетових потоків, виміряних супутником, співпало з відношенням їх оптичних потоків, зареєстрованих за два дні до цього на Північнокавказькому гіганті БТА-6.

Здається, у скептиків не залишилося аргументів, щоб оскаржувати реальність: передбачення Хвольсона, Ейнштейна, Цвіккі про можливість спостереження у Всесвіті ефекту гравітаційної лінзи збулося. Вибух астрономічної бомби під назвою Q 0957 + 561 А, В підігрів інтерес дослідників до квазарів, і сьогодні вони залишаються, мабуть, найзагадковішими об’єктами космічних глибин. У всякому разі, подивилися на них під новим кутом зору. І, наприклад, буквально «під боком» у квазара PG 1115 + 08 побачили, повідомляє журнал «Nature» (Англія), пару слабеньких об’єктів. Коли провели аналіз їх спектрів, переконалися, що вони збігаються зі спектром квазара. Схоже, знайдена ще одна лінза, спрацьована природою з невловимих полів тяжіння. Лід рушив?

…І тоді ми дізнаємося розміри Всесвіту

Якщо оптичні лінзи, застосовані Галілеєм у винайденому ним телескопі, призвели до розширення меж спостережуваного світу до масштабів Сонячної системи, то, може бути, в доступному для огляду майбутньому гравітаційні лінзи настільки ж багаторазово розсунуть межі нині спостережуваного нами Всесвіту. На чому засновані такі надії?

Відкрите в 1929 році американським астрономом Хабблом систематичне червоне зміщення ліній в спектрах далеких позагалактичних об’єктів виявилося пропорційним віддаленості цих об’єктів і свідчило про взаємне розбігання галактик один від одного. Швидкість «тікання» тим більше, чим далі від спостерігача об’єкт,— закономірність давно відома. Інше питання, на яку величину зростає швидкість зі збільшенням відстані? Величина ця, звана постійною Хаббла, на жаль, відома недостатньо точно, за різними оцінками вона становить від 50 до 100 кілометрів в секунду на один мегапарсек. Тим часом знати справжнє значення постійної Хаббла надзвичайно важливо, бо від неї «залежить» радіус спостережуваного Всесвіту: він тим менше (і тим менше відстані до галактик і квазарів), чим більше постійна.

Саме з вивченням ефекту гравітаційної лінзи спостережна космологія пов’язує сьогодні надії на те, що значення постійної Хаббла буде нарешті встановлено надійно. І ось яким шляхом. Як ми говорили, варіації блиску квазара, створені криволінійним променем (тобто, що проходить через галактику), повинні по фазі запізнюватися по відношенню до тих же варіацій, прийнятих по променю прямому. Зрозуміло, що час затримки залежить від параметрів гравітаційної лінзи і, значить, ступеня викривленості променя. Як тільки час затримки стане відомий, можна буде прямим геометричним способом вирахувати час ходу прямого променя, а значить, помноживши час на швидкість світла, і точну відстань до квазара. Звідси автоматично «проявляється» реальне значення постійної Хаббла. І дійсні масштаби світу, в якому ми живемо.

Зараз група дослідників продовжує патрулювати подвійний квазар. У кожної з компонент спостерігається абсолютна зміна блиску, а також потоки випромінювання в чотирьох різних кольорах. Вчені вважають, що зіставлення в майбутньому результатів спостережень дозволить визначити час затримки.

Знання цієї величини допоможе у вирішенні ще одного «хворого» питання астрофізики — проблеми прихованої маси галактик і їх скупчень. Щоб з’ясувати, чи буде навколишній світ розширюватися нескінченно або настане час, коли сили гравітації зупинять розбіг галактик і процес піде назад, потрібно знати масу речовини, що міститься у Всесвіті. Того, що сьогодні спостерігають астрономи, явно недостатньо для гальмування. Є, однак, підозри, що матерії в просторі значно більше, ніж ми спостерігаємо. У галактиках вона може концентруватися у вигляді ефемерних, але, як тепер вважають, що мають масу спокою нейтрино. Якщо нейтрино дійсно дають багаторазове збільшення мас галактик і їх скупчень, то це можна відчути по збільшенню часу затримки світлового променя, що проходить через них. І тим самим «зважити» зоряні скупчення і Всесвіт в цілому, причому новим, незалежним способом.

Автор: О. Борисов.