Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
В 1925 году гравитационное красное смещение света, испускаемого сверхплотной звездой-компаньоном Сириуса, впервые наблюдал американский астроном Уолтер Адамс (1876–1956). Прямой эксперимент по проверке существования гравитационного красного смещения в поле Земли был осуществлен только в 1960 году сотрудниками Гарвардского университета Робертом Паундом и Гленом Ребкой. Они измеряли сдвиг частоты гамма-излучения, пучок которого направляли вверх и вниз на 23 м по вертикали внутри здания лаборатории. Полученное в этом эксперименте значение красного смещения (относительный сдвиг частоты 2.57·10–15) совпало с предсказанием теории Эйнштейна с точностью до 1 %.
Эффект Шапиро
Рассмотренные эффекты обычно называют классическими, предсказанными самим Эйнштейном. Начиная с 60–70-х годов прошлого века, появились новые возможности, с помощью которых проверки ОТО стали значительно точнее. Это радиолокация планет и спутников, а также лазерная локация Луны. После этого четвертым классическим тестом принято считать задержку радиосигнала в гравитационном поле. Этот эффект был предсказан тоже Эйнштейном, и он тесно связан с отклонением луча света. Отклонение света можно вполне интерпретировать как результат действия линзы – «среды» с другим коэффициентом преломления. То есть гравитирующее тело можно рассматривать как гравитационную линзу, а поле тела рассматривать как имитатор преломляющей среды. Но эта среда, как мы знаем, не только отклоняет луч света, но и замедляет его: скорость света в среде меньше, чем в вакууме. Точно так же, луч света, проходя рядом с гравитирующим объектом, замедляется по отношению к достаточно удаленному наблюдателю.
Это замедление впервые было обнаружено только в 1964 году Ирвином Шапиро из Массачусетского технологического института (США) в ходе пассивной локации Венеры и Меркурия, находившихся с другой стороны Солнца. Время задержки сигнала, проходящего вблизи Солнца, достигало значения около 240 мкс. Использование этого эффекта оказывается более привлекательным, чем измерение отклонения луча, поскольку интервалы времени могут быть измерены с гораздо более высокой точностью, чем углы. Первые эксперименты с пассивной локацией давали точность 22 %. Чтобы измерить временную задержку с наибольшей точностью, необходим космический аппарат, располагающийся за Солнцем. При этом сигнал «перерабатывается», чтобы значительно снизить влияние помех, а лишь затем посылается обратно – активная локация. Впервые она было осуществлена группой Шапиро в 1977 году. Точность значительно улучшается при совмещении пассивной и активной локации, когда, например, одновременно с локацией Марса осуществляется локация аппарата рядом с ним. Результат группы итальянских астрофизиков Бруно Бертотти, Лусиано Иесса и Паоло Торторы за 2003 год составляет 1,00001 ± 0,000012 от предсказания ОТО, то есть эффект подтверждается с точностью до тысячных процента!
Гравитационные линзы
Почему попугаи за номером один, два и три…, похожи друг на друга до такой степени?
Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу»С понятием «гравитационная линза», которое мы ввели выше, связаны бурно развивающиеся в последнее время области исследований в астрофизике и космологии. Из российских ученых активными теоретиками-исследователями в этой области являются Михаил Сажин и Александр Захаров. Изложение этой части будет во многом соответствовать статье Захарова «Гравитационные линзы» на сайте pereplet.ru.
По-видимому первый, кто использовал термин «линза» для отклонения луча света гравитационным полем тела, был английский физик Оливер Лодж (1851–1949) в 1919 году. Однако он отметил, что «гравитационное поле действует как линза, но она не имеет фокусной длины». Петербургский физик Орест Хвольсон (1852–1934) в 1924 году опубликовал короткую заметку, в которой заметил, что в случае, когда рассматривается отклонение луча света далекой звезды звездой-линзой, возможно возникновение второго изображения фоновой звезды, но угол между двумя изображениями столь мал, что эти изображения нельзя разрешить с помощью наземного телескопа. В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникает изображение типа кольца.
Аналогичные результаты опубликовал Эйнштейн в 1936 году, где также описывалось появление кольца в случае, если наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой. Эти результаты более известны, возможно потому, что журнала «Science», где опубликована статья Эйнштейна, более популярен по сравнению с потсдамским астрономическим журналом «Astronomische Nachrichten», где опубликована статья Хвольсона. Поэтому кольца гравитационной линзы называют обычно «кольцами Эйнштейна», значительно реже «кольцами Хвольсона-Эйнштейна». Эйнштейн также заметил, что «конечно нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление». Нужно сказать, правда, что и Хвольсон, и Эйнштейн рассматривали случай, когда и источник, и гравитационная линза являются звездами.
Однако в 1937 году американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки (1898–1974) пришел к выводу, что эффект может быть наблюдаем в случае, если источником является далекая яркая галактика, а гравитационной линзой – более близкая галактика. В публикации он ссылается на идеи нашего соотечественника, представителя первой русской эмиграции инженера Владимира Зворыкина (1888–1982), создателя современного телевидения, и чешского инженера Руди Мандла. То же самое написал Эйнштейн в своей работе: «Некоторое время тому назад меня посетил Руди Мандл и попросил опубликовать результаты небольшого расчета, который я провел по его просьбе. Уступая его желанию, я решил опубликовать эту заметку». Так что, может и была борьба за приоритеты, но исследователи вели себя очень корректно в отношении чужих идей и результатов. А ссылка Цвикки демонстрирует широкое влияние на развитие мировой науки российской научной школы.
Насколько плодотворным было замечание Зворыкина и, безусловно, последующий анализ Цвикки, стало ясно спустя более сорока лет. В 1979 году группа английских астрономов обнаружила первую гравитационную линзу при наблюдении двойного квазара QSO 0957+16 A, B: угловое расстояние между изображениями порядка 6″, а гравитационной линзой являлась галактика, рис. 7.4. Таким образом, предсказание Цвикки подтвердилось. На настоящий момент открыто более полусотни объектов, которые представляют результат гравитационного линзирования, и это число постоянно растет. Замечательный космолог, астрофизик, физик-теоретик Яков Зельдович (1914–1987), рис. 7.5, с его широчайшим научным кругозором, не мог не оценить важности этого открытия и обратил на него внимание одного из своих учеников – Михаила Сажина. Сейчас как теоретическое изучение этого явления, так и поиски новых наблюдательных подтверждений активно продолжаются.
Рис. 7.4. Первая гравитационная линза
Теперь расскажем о физике явления. Действительно, как было замечено Лоджем, гравитационные линзы не имеют «фокусного расстояния» в том смысле, как ее имеют оптические линзы. Поэтому их действие оказывается несколько непривычным. Они также «собирают» свет, при некоторых условиях это приводит к повышению яркости наблюдаемого объекта. Но более выдающимся их проявлением является «построение» двух, а иногда нескольких изображений этого объекта. Обратимся к схеме на рис. 7.6. На ней проиллюстрировано как действует точечная гравитационная линза. Собственно объект наблюдения (квазар) находится в точке S, линза в точке D, а наблюдатель в точке O.
Рис. 7.5. Яков Зельдович
Два луча (жирные линии) отклоняются линзой так, что наблюдатель видит два изображения квазара на небесной сфере: точки S1 и S2.
В случае, если точечный источник находится точно на оси симметрии, изображение является кольцом, которое обсуждалось в работах Хвольсона и Эйнштейна. Однако наблюдать подобное кольцо в реальности в случае точечного источника невозможно, поскольку при самом малом изменении параметров кольцо исчезает и появляется два точечных изображения.
Чаще всего обнаружить гравитационные линзы можно по наблюдениям пар квазаров, которые имеют похожие спектры и временную переменность компонентов, отличающуюся лишь временным сдвигом, который может принимать значения для различных пар изображений от нескольких дней до нескольких лет!
Рис. 7.6. Геометрия точечной гравитационной линзы
В случае, когда источник не точечный, появление кольца в принципе возможно, хотя скорее будет два растянутых изображения в виде дуг. В реальных ситуациях или угловое расстояние между изображениями слишком мало, или линза имеет большую массу и большие размеры, так что ее нельзя рассматривать как материальную точку (как в первых наблюдаемых примерах гравитационных линз). Реальные эффекты гравитационного линзирования зависят от разных параметров, а число возможных изображений и сами изображения разнообразны.
