Учёные не могут поверить своим глазам: космос оказался полон гигантских линз Эйнштейна

Космический телескоп "Джеймс Уэбб" продолжает удивлять астрономов: в рамках крупнейшего обзора COSMOS-Web ему удалось обнаружить свыше сотни колец Эйнштейна и сильных гравитационных линз - эффектов, предсказанных общей теорией относительности более века назад. Эти редкие природные "телескопы" позволяют заглядывать в самые ранние эпохи существования Вселенной и рассматривать галактики, возникшие всего через пару миллиардов лет после Большого взрыва.

Когда свет огибает пространство

Гравитационное линзирование — одно из красивейших проявлений искривления пространства-времени, описанного Эйнштейном. Если на пути света от далёкого объекта — галактики или квазара — оказывается массивное тело, например скопление галактик или чёрная дыра, то гравитация отклоняет лучи, и изображение искажается. Иногда это лёгкое вытяжение или смещение (слабое линзирование), а иногда — мощное преломление, при котором изображение дублируется или растягивается в дугу.

Когда источник света, гравитационная линза и наблюдатель идеально выстраиваются на одной линии, возникает замкнутое кольцо света — "кольцо Эйнштейна". Именно такие кольца особенно ценны для астрономов: они позволяют рассматривать далекие объекты с фантастическим увеличением — словно при помощи гигантского природного телескопа.

"Каждое кольцо Эйнштейна — это не просто эффект теории относительности, а окно в эпоху первых звёзд и галактик", — пояснил астрофизик Гурген Гозалиасл, участник проекта COSMOS-Web.

Как "Уэбб" нашёл более сотни линз

Исследователи проекта COSMOS-Web Lens Survey (COWLS) провели систематический поиск гравитационных линз в данных, собранных инфракрасным спектрографом NIRSpec на борту "Джеймса Уэбба". Для этого вручную просмотрели более 42 600 галактик, используя изображения с разрешением, недостижимым для предыдущих телескопов.

Результаты превзошли ожидания:

• выявлено более 400 кандидатов в гравитационные линзы,

• из них 17 подтверждены как сильные линзы с множественными изображениями,

• позже список пополнился до 59 надёжных и ещё 57 вероятных объектов.

На основе этого каталога Европейское космическое агентство (ESA) подготовило снимок месяца, где представлены восемь наиболее впечатляющих примеров гравитационного линзирования — яркие кольца, дуги и "дубликаты" галактик, образованные искажением света.

Предсказания и новые открытия

Команда проекта также рассчитала, сколько линз "Джеймс Уэбб" должен был обнаружить теоретически, учитывая чувствительность телескопа и характеристики наблюдаемых областей. По прогнозу, среди них должны преобладать небольшие кольца Эйнштейна, образующиеся, когда линзирующие объекты расположены на расстояниях, соответствующих красному смещению z ≈ 1 (то есть, когда Вселенной было около 6 млрд лет).

Линзуемые — более дальние галактики, с z ≈ 3,2, — существовали, когда космосу было лишь около 2 млрд лет. Таким образом, каждый новый "гравитационный телескоп" помогает рассматривать самые ранние структуры во Вселенной.

Прогноз оказался в целом верным, но выявил некоторые несоответствия: телескоп обнаружил меньше линз с большим красным смещением, чем ожидалось. Учёные считают, что часть таких объектов "спряталась" в диапазоне, который будет доступен после анализа данных с прибора MIRI, работающего в среднем инфракрасном диапазоне.

Что дают кольца Эйнштейна учёным

Гравитационные линзы — это естественные увеличительные стёкла, позволяющие увидеть галактики, которые иначе были бы слишком тусклыми и далёкими. Благодаря им астрономы могут:

• исследовать строение ранних галактик и скорость их звездообразования;

• измерять массу тёмной материи в линзирующих объектах (по силе искажения);

• уточнять постоянную Хаббла - параметр, описывающий скорость расширения Вселенной;

• искать сверхмассивные чёрные дыры и двойные системы, которые могут выдавать себя именно эффектом линзирования.

"Каждая новая линза — это лаборатория для проверки общей теории относительности и инструмент для изучения молодого космоса", — отметил астрофизик Адам Кёкемур, соавтор обзора.

Гравитационные линзы как природные телескопы

Использование гравитации в качестве линзы можно сравнить с оптикой гигантского масштаба. Чем массивнее объект — галактическое скопление, чёрная дыра, звезда — тем сильнее оно отклоняет лучи света. В теории можно использовать даже Солнце как гравитационную линзу, но для этого наблюдатель должен находиться в 550 астрономических единицах от него — примерно в двадцати раз дальше орбиты Нептуна.

К счастью, Вселенная полна случайных конфигураций, где объекты уже выстроились на одной линии. Именно такие "совпадения" и делает видимыми телескоп "Джеймс Уэбб", способный различить слабейшие дуги и кольца в инфракрасном диапазоне.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: недооценивать количество слабых и малых линз в обзорах.
  Последствие: потеря информации о многочисленных небольших галактиках.
  Альтернатива: повторный анализ с помощью более чувствительных алгоритмов и приборов вроде MIRI.

• Ошибка: считать гравитационное линзирование исключительно оптическим эффектом.
  Последствие: ограничение возможностей анализа данных в других диапазонах.
  Альтернатива: использовать линзы для наблюдений в инфракрасном и радио диапазонах, где они могут увеличивать свет ранних галактик ещё эффективнее.

А что если…

Если подтвердятся прогнозы о большем количестве линз с высоким красным смещением, это поможет уточнить модели распределения массы во Вселенной и, возможно, выявить аномалии в поведении тёмной материи. Гравитационные линзы — ключ к проверке космологических моделей, включая гипотезы об изменении фундаментальных констант со временем.

Плюсы и минусы открытия

FAQ

Что такое кольцо Эйнштейна?
Это оптический эффект, возникающий, когда свет далёкого объекта проходит рядом с массивным телом и искривляется так, что изображение замыкается в кольцо.

Почему такие кольца редки?
Необходимо идеальное совпадение трёх точек — источника, линзы и наблюдателя — на одной прямой линии.

Как "Джеймс Уэбб" помогает их искать?
Благодаря сверхвысокому разрешению в инфракрасном диапазоне он способен видеть даже слабые дуги, недоступные прежним телескопам.

Мифы и правда

Миф: гравитационные линзы создают новые объекты на небе.
Правда: они лишь искажают свет от уже существующих, усиливая его.

Миф: кольца Эйнштейна — исключительно редкое явление.
Правда: с ростом точности наблюдений таких объектов становится всё больше.

Миф: линзирование не связано с тёмной материей.
Правда: именно распределение невидимой массы определяет силу и форму линз.

Исторический контекст

Эффект гравитационного отклонения света впервые подтвердился в 1919 году, когда во время солнечного затмения наблюдения показали смещение звёзд в небе. С тех пор линзирование стало мощным инструментом космологии. Современные телескопы — от Hubble до James Webb - позволяют фиксировать тысячи линз, каждая из которых раскрывает новую страницу истории Вселенной.

Три интересных факта

Эйнштейн сам считал, что эффект линзирования слишком слаб, чтобы когда-либо быть замеченным.

Некоторые кольца Эйнштейна дают увеличение света в десятки раз, позволяя увидеть галактики, существовавшие через 500 млн лет после Большого взрыва.

Каталог COSMOS-Web — крупнейший обзор в истории инфракрасных наблюдений, охватывающий более 500 000 галактик.