Близнецы с окраины Вселенной

Мы, жители северного полушария, с детства привыкли любоваться этим огромным ярким созвездием. Большая Медведица. Казалось, сам ее фон дышит извечным покоем и безмятежностью. В том числе для астрономов. Но вот сейчас инструменты многих обсерваторий мира жадно всматриваются в этот участок неба. Здесь впервые обнаружены «космические близнецы». Что это значит?

Как нет на Земле двух абсолютно одинаковых людей, двух одинаковых отпечатков пальцев, так на всем небе нет двух похожих звезд, галактик или квазаров,— спектральный «портрет» каждого объекта несет печать индивидуальности.

Пара же квазаров, на которую весной 1979 года обратили внимание американские астрономы Д. Волш, Р. Карсвелл и Р. Вуейман по многим свойствам оказалась поразительной. Эти два объекта можно различить на небе только в достаточно крупные телескопы, поскольку они имеют всего лишь семнадцатую звездную величину и расположены так тесно, что изображения их почти сливаются. Удивили, прежде всего, спектры квазаров. Они оказались совершенно идентичными! Красные смещения линий излучения спектров также одинаковы. Значит в точности равными являются скорости удаления от нас (70,7 процента скорости света) и расстояния от нашей планеты — около 10 миллиардов световых лет. Наблюдаемые, в спектрах линии поглощения обязаны своим происхождением газовой оболочке, обычно окружающие квазары, сдвинуты по отношению к линии излучения тоже на удивление одинаково.

Такого астрономы еще не видели. Уникальное явление в природе? Небесные «близнецы»? Или событие, возможность наблюдения которое впервые было предсказано десятки лет назад? Да, многие исследователи тогда же заподозрили, что на небосклоне обнаружены два изображения одного и того же объекта.

Вообще говоря, представления о причинах, по которым, могут наблюдаться подобные феномены, сложились довольно давно. Первая из них – возможно нетривиальная топология Вселенной как целого. Фридмановское решение уравнений Эйнштейна ведет к доказательству теорему, что любая топологическая структура мирового пространства будь она тор, сфера, цилиндр, крендель и т. п.— должна приводить к возникновению кратных изображений космических объектов. 3а исключением, казалось бы, одного случая — если пространство топологически эквивалентно евклидовой плоскости.

Но и тогда, а именно если геометрия нашего мира простая, изображение каждого источника на небосклоне не обязательно должно, быть однократным. И здесь мы переходим ко второй причине, на которую, по-видимому, впервые в 1924 на которую указал профессор Петербургского университета Орест Данилович Хвольсон: благодаря «игре» мощных полей гравитации один и тот же источник может наблюдаться в виде набора изображений.

В 1936 году Альберт Эйнштейн опубликовал в журнале «Сайенс» заметку, где та же возможность наблюдения рассмотрена более подробно. А из теории, в частности, следует, что луч света, проходящий вблизи массивной звезды, должен отклоняться ее гравитационным полем (кстати, проводившиеся во время солнечных затмений неоднократные экспериментальные проверки этого следствия теории полностью подтвердились: Солнце отклоняет проходящие близ него звездные лучи на угол, очень близкий к расчетному). Другими словами, сильное гравитационное поле играет роль своеобразной линзы. Эта линза может проявить себя в двух наблюдательных эффектах. С одной стороны, за счет фокусировки концентрация светового потока способна возрасти в десятки и сотни раз, и, значит, общая яркость наблюдаемых объектов будет значительно больше, чем она была бы в отсутствие гравитационной линзы. И кроме того, «уплотнение» поля тяготения, встретившееся на пути распространения лучей далекого объекта, может привести к тому, что мы увидим два изображения одного и того же источника. Как же это может произойти?

Допустим, мы исследуем квазар. Если где-то вблизи воображаемой прямой, соединяющей око телескопа с этим источником, случайно окажется, тело огромной массой, то произойдет следующее, часть потока электромагнитного излучения придет к нам по кратчайшему пути, близкому к прямой линии. Другая часть, испущенная квазаром в ином направлении, достигнув тяготеющей массы, испытав преломление, и в результате также может попасть в поле зрения наблюдателя. И поскольку два потока от одного источника в этом случае придут под некоторым углом друг к другу, мы увидим на небосводё парное изображение одного и того же физического тела.

В своей публикации Эйнштейн рассматривал в качестве фокусирующей массы звёзды нашей Галактики. И пришел к выводу, что эффект звездной линзы столь мал, что вероятность его наблюдения практически ничтожна. Однако годом позже известный астроном Ф. Цвикки показал, что ту же самую роль гравитационной линзы могут играть галактики. И в этом случае, поскольку масса галактик в миллиарды раз превышает массу отдельной звезды, предсказанный эффект вполне может быть обнаружен.

С тех пор было опубликовано множество теоретических работ в которых рассматривались возможные условия наблюдения крайних изображений одного и того же космического объекта. Стало ясно, что механизм фокусировки световых лучей гравитационной линзой далеко не прост. Испытав преломление, потоки излучения будут собираться не в одной точке, а на поверхности некоторого конуса. Если наблюдатель находится вне этого конуса, он увидит только одно не сфокусированное изображение источника. Если же он располагается внутри конуса, то благодаря фокусировке заметит сразу несколько изображений небесного объекта.

Что касается галактик, то поскольку их радиус неизмеримо больше радиуса отдельной звезды, фокусное расстояние образуемых ими гравитационных линз соответственно больше. Для большинства галактик это миллиарды световых лет. Но именно на таких расстояниях находятся от нас самые дальние звездные острова и квазары. И значит, мы вполне можем оказаться в одном из фокусов и наблюдать… космические миражи.

Исследования показали, что количество изображения, строго говоря, всегда должно быть нечетным: вне конуса — одно, внутри конуса — как минимум три. (Что касается парного изображения квазара 0957+561 А, В, о котором пойдет речь ниже, то, по мнению астрономов, его третье изображение слилось или с галактикой-линзой, или находится столь близко в компоненте В пары, что их не удается увидеть раздельно). Но изображений может быть и пять, и больше. Это в частности, произойдет в том случае, если галактика-линза имеет спиральные рукава, каждый из которых формирует свой портрет далекого объекта.

Сюрпризы Q 0957 + 561 А, В

Символы в названии объекта, взбудоражившего астрономическую мысли, суть следующее: Q — значит квазар, цифры – его небесные координаты, А и В — свидетельство, что он состоит из двух компонент.

Прошло совсем немного времени со дня обнаружения экзотической небесной четы, но коллизий, сопровождавших ее изучение, оказалось предостаточно. Реальные свойства проецирующихся на область Большой Медведицы двух слабо светящихся точек оказались куда более сложными и загадочными, чем они представлялись впервые месяцы после их открытия. События развивались так.

Весной 1979 года в адрес расположенной на Северном Кавказе Специальной астрофизической обсерватории (CAO) пришла телеграмма из крупнейшей американской обсерватории Кит-Пик. В ней содержалась просьба сделать глубокие снимки (то есть до предельно слабых объектов) области двойного квазара 0957 + 561. Задача состояла в том, чтобы попытаться найти в пространстве между изображениями-близнецами (их спектральная идентичность незадолго до этого была установлена на Кит-Пик) то массивное тело, которое и отвечает за «раздвоение личности» квазара.

Под руководством заведующего отделом внегалактической астрономии и релятивистской астрофизики CAO Игоря Караченцева такие снимки были сделаны на тогда крупнейшем в мире телескопе БТА-6. И несмотря на высочайшее качество — просматривали исчезающе слабые объекты 25-26-й звездной величины,— в «нужном» месте обнаружить ничего не удалось. С тем же «успехом» на пределе возможностей поработали телескопы и других обсерваторий мира. Между тем согласно гипотезе гравитационной линзы такое промежуточной тело должно быть обязательно. Где же оно скрывается?

Несколько раньше на обсерватории Кит-Пик выявили другую странность. Южное изображение двойного квазара (компонента В) по своему видимому цвету было существенно краснее северного (компонента А). Но ведь свет-то приходит от одного и того же источника! Это было так же неожиданно, как увидеть в зеркалах скажем, свое двойное секундное отображение. Но в разных цветовых оттенках. Почему же B краснее А?

В обоих полушариях телескопы продолжали все пристальнее вглядываться в поведение небесной двойни. И сюрпризы еще более щекотливого свойства не заставили себя ждать.

Да, рассудили наблюдатели, оптические спектры пары совпадают даже в деталях и это, казалось бы неоспоримый аргумент в пользу идеи гравитационной линзы. Но давайте все-таки исследуем феномен в других диапазонах электромагнитного спектра.

К делу подключились радиоастрономы. С помощью так называемой системы апертурного синтеза удалось построить радио изображения наблюдаемой пары. И снова непонятное, они отличаются друг от друга. Так может быть мы все таки видим два разных квазара? В конце концов, если эти объекты сформировались и эволюционировали в одной и той же достаточно компактной (по космическим меркам) области пространства, то за счет схожести физической природы и возраста, почему бы их спектрам не быть в такой степени идентичными? Различие структур радиоизлучающих областей, заметили скептики, говорит о том, что скорей всего мы наблюдаем истинную, а не мнимую пару квазаров. И приняв за основу последнюю гипотезу, приступили к тщательному ее анализу. И столкнулись с трудностями, которые не удалось преодолеть…

Шли месяцы, а ситуация скорее запутывалась, чем прояснялась. Несомненно оставалось одно: необходимы новые, все более изощренные наблюдательные подходы. И прежде всего надо было искать «пропавшую» галактику-линзу.

Когда в комплексе с американским пятиметровым маунт-паломарским телескопом использовали уникальную телевизионную двухмерную систему и с ее помощью осуществили детальное цифровое прописывание профиля изображений А и В, невидимка выдала свое присутствие. Оказалось, что в лучах красного цвета южный член пары имеет несколько более протяженный профиль, чем у соседа. Вычли из большего профиля меньший и получили… галактику. По лучу зрения она отстоит от южного изображения на удалении всего лишь 0,8 угловой секунды. А такие тесные объекты можно увидеть раздельно даже в лучшие оптические телескопы только при идеальных условиях наблюдения.

Теперь, когда стало очевидно, что луч, дающий южное (и, как мы уже знаем, более красное) изображение, по существу, проходит через галактическую среду, появилось убедительное объяснение разноцветности близнецов: к собственной красноте южного луча добавляется красное излучение звезд галактики. Весы, казалось бы, качнулись в сторону гипотезы гравитационной линзы.

Наблюдатели, в течение многих месяцев следившие за двойным квазаром, не обнаружили у него сколько-нибудь заметного изменения блеска (между тем обычно квазары — переменные источники). Посчитав его излучение постоянным, они, по существу, перестали следить за этой характеристикой. Астрономы продолжали на БТА-6 выписывать кривые блеска. И обнаружили явления, одно из которых оказалось особенно поразительным.

Дотоле почти «уравновешенный» квазар начал круто менять нрав и за короткий период изменил свою светимость на десятки процентов. Северный объект, чуть более яркий, чем южный, вдруг начал слабеть, тогда как его собрат, наоборот, принялся «расцветать». Но если мы видим две «половинки» одного и того же квазара, спрашивается, как такое может происходить?

Повернем проблему в плоскость фантастического варианта и представим себе следующую ситуацию. С окраины Вселенной, точнее, от объекта А двойного квазара 0957 + 561, мы длительное время принимаем телепередачу, ведущий которой, квазарянин, существо разумное и эмоциональное. В самом начале программы он улыбается, через какое-то время становится озабоченным, потом сердится, скучает, тревожится… Параллельно мы с помощью другого комплекта аппаратуры (и конечно, как и в первом случае — на остро направленную антенну) ведем телеприем от объекта В. Сначала с удивлением замечаем, что изображения вообще нет, а когда уже знакомый нам ведущий появляется на втором экране, его эмоциональные проявления совсем не совпадают с теми, что мы видим на первом. Но мы ведь знаем, что передача ведется из одной и той же студии, притом единожды!

Что ж, если мы имеем дело с гравитационной линзой, последовательность событий, которые мы наблюдаем, по размышлении, должна быть поначалу именно такой. Ведь как уже было замечено, часть потока электромагнитного излучения (в данном случае — несущего телеизображение) придет к нам от квазара по кратчайшему пути. Другая, испущенная далеким передатчиком не в направлении Земли, достигнув массивной галактики, испытает преломление и также достигнет наших антенн. Второй путь, естественно, более длинный, поэтому телевизионный сигнал, идущий по кривой, по фазе неизбежно будет запаздывать по отношению к сигналу, распространяющемуся прямолинейно. Это, так сказать, геометрическая причина несовпадения событий на экранах.

Если, однако, действовала бы только она одна, величина запаздывания, по расчетам, была примерно вдвое меньше той, какая должна иметь место в действительности. В качестве дополнительного «тормоза» сигнала, огибающего звездное скопление, выступает релятивистский эффект. Ибо согласно общей теории относительности течение времени вблизи очень массивных объектов замедляется, значит, скорость прохождения сигнала в гравитационном поле галактики уменьшится.

Поэтому, если нескончаемую инозвездную передачу мы будем смотреть и дальше, то наше терпение будет вознаграждено: вся гамма страстей ведущего, отображенная на первом экране, через месяцы или годы в точности (словно в видеозаписи) повторится на втором.

Ну, а теперь, обернувшись к действительности, заменив фазы эмоций нашего квазарянина на истинные вариации блеска квазара, мы приходим к пониманию, что записи вариаций блеска компонент А и В по своей форме принципиально не могут совпасть сиюминутно.

Вот почему зарегистрированные в обсерватории на Северном Кавказе «странности» в поведении пары могли показаться таковыми лишь на первый взгляд. Другой вопрос — какова величина временной «раздвижки», обусловленная упомянутыми двумя причинами? И можем ли мы вообще быть уверенными, что через какое-то время характер переменности одного изображения окажется адекватным предшествующей переменности его соседа?

Ситуация далеко не простая. О любопытной «пессимистической» идее профессора Рефсдала рассказал автору Викторий Шварцман. Не исключено, считает норвежский ученый, что звезды внутри галактики-линзы интенсивно и притом хаотично движутся. Это обусловливает переменность гравитационного поля на траектории галактического луча, значит, меняется во времени его фокусировка, меняется, как следствие, и плотность светового потока, формирующего изображение компоненты В. Таким образом, если изменение блеска северного изображения в точности отражает переменность самого квазара, то переменность южного обусловлена прежде всего динамикой звезд в промежуточной галактике. И в этом случае кривые блеска исследуемой пары могут не совпасть никогда.

Конечно, это только гипотеза. Если она «не работает» и действуют лишь два фактора задержки, о которых было сказано выше, то «эхо» раньше или позже должно быть услышано. Подсчеты свидетельствуют, говорит Шварцман, что раздвижка во времени между «фазами поведения» одного и другого изображения может составить 5—6 лет. Во всяком случае, на протяжении двух прошедших лет наблюдений вариации блеска пока не повторяли друг друга. А раз так, у скептиков будет оставаться причина оспаривать в целом гипотезу гравитационной линзы.

Но давайте проследим за нашей одиссеей дальше, ведь богатство событий далеко не исчерпано. Вскоре американские астрономы обнаружили, что и в радиодиапазоне мощность излучения обеих компонент меняется. Случилось так, что в это же самое время Бескин и Шварцман наблюдали на шестиметровом телескопе, как меняются потоки от «близнецов» в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн. Когда данные измерений сопоставили, четко обозначилось, что ультрафиолетовое и радиоизлучение меняются синхронно. Это добавило уверенности, что наблюдается действительно расщепленное изображение одного и того же тела. Представить себе такую синхронную переменность у двух разных квазаров почти немыслимо.

В то же время исследование двойного квазара продолжалось не только на обсерваториях многих стран мира, но и с космических аппаратов. Со специализированного спутника были получены ультрафиолетовые спектры пары — практически они оказались одинаковыми. Более того, отношение ультрафиолетовых потоков, измеренных спутником, совпало с отношением их оптических потоков, зарегистрированных за два дня до этого на северокавказском гиганте БТА-6.

Думается, у скептиков не осталось аргументов, чтобы оспаривать реальность: предсказание Хвольсона, Эйнштейна, Цвикки о возможности наблюдения во Вселенной эффекта гравитационной линзы сбылось. Взрыв астрономической бомбы под названием Q 0957 + 561 А, В подогрел интерес исследователей к квазарам, и сегодня остающимся, пожалуй, самыми загадочными объектами космических глубин. Во всяком случае, посмотрели на них под новым углом зрения. И, например, буквально «под боком» у квазара PG 1115 + 08 увидели, сообщает журнал «Nature» (Англия), пару слабеньких объектов. Когда провели анализ их спектров, убедились, что они совпадают со спектром квазара. Похоже, найдена еще одна линза, сработанная природой из неосязаемых полей тяготения. Лед тронулся?

…И тогда мы узнаем размеры Вселенной

Если оптические линзы, примененные Галилеем в изобретенном им телескопе, привели к расширению границ наблюдаемого мира до масштабов Солнечной системы, то, может быть, в обозримом будущем гравитационные линзы столь же многократно раздвинут границы ныне наблюдаемой нами Вселенной. На чем основаны такие надежды?

Открытое в 1929 году американским астрономом Хабблом систематическое красное смещение линий в спектрах далеких внегалактических объектов оказалось пропорциональным удаленности этих объектов и свидетельствовало о взаимном разбегании галактик друг от друга. Скорость «убегания» тем больше, чем дальше от наблюдателя объект,— закономерность давно известная. Другой вопрос, на какую величину возрастает скорость с увеличением расстояния? Величина эта, называемая постоянной Хаббла, к сожалению, известна недостаточно точно, по разным оценкам она составляет от 50 до 100 километров в секунду на один мегапарсек. Между тем знать истинное значение постоянной Хаббла чрезвычайно важно, ибо от нее «зависит» радиус наблюдаемой Вселенной: он тем меньше (и тем меньше расстояния до галактик и квазаров), чем больше постоянная.

Именно с изучением эффекта гравитационной линзы наблюдательная космология связывает сегодня надежды на то, что значение постоянной Хаббла будет наконец установлено надежно. И вот каким путем. Как мы говорили, вариации блеска квазара, несомые криволинейным лучом (то есть проходящим через галактику), должны по фазе запаздывать по отношению к тем же вариациям, принятым по лучу прямому. Понятно, что время задержки зависит от параметров гравитационной линзы и, значит, степени искривленности луча. Как только время задержки станет известно, можно будет прямым геометрическим способом высчитать время хода прямого луча, а значит, помножив время на скорость света, и точное расстояние до квазара. Отсюда автоматически «проявляется» реальное значение постоянной Хаббла. И действительные масштабы мира, в котором мы живем.

Сейчас группа исследователей продолжает патрулировать двойной квазар. У каждой из компонент наблюдается абсолютное изменение блеска, а также потоки излучения в четырех разных цветах. Ученые считают, что сопоставление в будущем результатов наблюдений позволит определить время задержки.

Знание этой величины поможет в решении еще одного «больного» вопроса астрофизики — проблемы скрытой массы галактик и их скоплений. Чтобы выяснить, будет ли окружающий нас мир расширяться бесконечно или настанет время, когда силы гравитации остановят разбег галактик и процесс пойдет вспять, нужно знать массу содержащегося во Вселенной вещества. Того, что сегодня наблюдают астрономы, явно недостаточно для торможения. Есть, однако, подозрения, что материи в пространстве значительно больше, чем мы наблюдаем. В галактиках она может концентрироваться в виде эфемерных, но, как теперь полагают, имеющих массу покоя нейтрино. Если нейтрино действительно дают многократное увеличение масс галактик и их скоплений, то это можно почувствовать по увеличению времени задержки проходящего через них светового луча. И тем самым «взвесить» звездные скопления и Вселенную в целом, причем новым, независимым способом.

Автор: О. Борисов.