гравитационное микролинзирование

Стробоскоп в тёмном зале выхватывает из толпы мгновенные тени, которые глаз не успевает заметить. Первичная чёрная дыра размером с вирус, пролетая перед далёкой звездой, на несколько секунд усиливает её свет, как лупа, наведённая на лампочку. До сих пор такие вспышки никто не ловил: они слишком короткие для наземных телескопов, а в ярких звёздных полях их теряет дрожание атмосферы.

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, огибает его, как бегун огибает угол стадиона. Для нейтронной звезды этот угол отклонения обычно считается таким же, как для точечной массы. Но если звезда окутана невидимым гало из тёмной материи, картина меняется: свет, проходящий сквозь гало, отклоняется слабее, чем предсказывает полная масса.

На тёмных окраинах нашей Галактики, вдали от ярких звёздных скоплений, прячутся миллионы чёрных дыр — объектов, которые не светятся и почти не поглощают вещество. Обычные методы поиска, рассчитанные на тесные звёздные поля, здесь бессильны. Нужен другой подход. Астрономы предложили использовать в качестве детектора саму ткань пространства.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* — объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может её покинуть. Если рядом с ней обращается невидимый компаньон — например, вторая чёрная дыра, — их орбитальный танец можно обнаружить по поведению света далёких звёзд.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO уловили нечто странное. Сигнал гравитационных волн от слияния двух чёрных дыр, получивший номер GW231123, указывал на рекордные массы — 137 и 101 солнечных — и аномально быстрое вращение. Это была бы самая массивная и быстровращающаяся пара, когда-либо зарегистрированная.

Двести миллионов звёзд. В центре Галактики, куда нацелится будущий обзор телескопа Нэнси Грейс Роман, примерно 250 раз за миссию свет одной из них дрогнет от невидимого прикосновения. Это свободно плавающие планеты — миры, выброшенные из родных систем, — и экзопланеты земного типа, кружащие у далёких солнц.

Восемь ярких точек на радионебе. Это один и тот же квазар HS 0810+2554, чей свет прошёл сквозь гравитационную линзу — массивную галактику на переднем плане. Но обычное объяснение с гладким распределением тёмной материи в линзе оставляет зазор: предсказанные положения точек расходятся с наблюдениями на несколько миллисекунд дуги.

Когда далёкая планета проходит перед своей звездой, она ненадолго заслоняет часть света. Астрономы называют это прохождением и по глубине провала судят о размере планеты. Но у света есть свойство: массивное тело работает как линза. Даже планета-гигант способна слегка искривить лучи звезды — и провал становится чуть менее глубоким, чем можно было бы ожидать.

Две нейтронные звезды сближаются по спирали и сталкиваются. Рождается гравитационная волна — рябь в пространстве-времени, короткая гамма-вспышка и тусклое свечение, которое астрономы называют килоновой. Но иногда сигнал проходит мимо тяжёлой галактики.

В юной Вселенной, около десяти миллиардов лет назад, галактики напоминали бескрайние поля после грозы: повсюду, вскипая, всходили гигантские — в тысячи световых лет — сгустки звездорождения, где молодые звёзды нарождались с безудержной энергией. Сегодня эти участки — почти исчезнувший вид: в окрестных галактиках буйные очаги встречаются редко.

Стандартная модель космологии, опирающаяся на уравнения поля, предложенные Эйнштейном, описывает Вселенную как коктейль из тёмной материи (открытой благодаря Вере Рубин) и тёмной энергии в пропорции примерно 1:3.

Свет далёкой звезды — не идеальный маяк. Проходя сквозь гравитационное поле другой звезды, он изгибается, расщепляется и усиливается, создавая на небе мимолётное кольцо Эйнштейна. Так проявляет себя гравитационное микролинзирование, предсказанное ещё Фрицем Цвикки в 1930-х.

Вселенная — гигантский лабиринт кривых зеркал. Масса галактик и скоплений искажает свет далёких квазаров, словно забавляясь нашим восприятием космоса. В этой комнате смеха прячется разгадка самой большой тайны: тёмной энергии, расталкивающей пространство всё быстрее.

В поле зрения размером с песчинку, поднесённую к глазу, скрываются сотни галактик, размазанных в дуги усилиями массивного скопления Abell S1063.

Космический луч подлетает к чёрной дыре почти по касательной. Он не падает сразу, а задерживается на неустойчивой орбите — как акробат, балансирующий на канате над пропастью. Сделав несколько витков, свет всё же уходит к далёкому наблюдателю. Такие лучи рождают многократные изображения одного и того же источника — их называют изображениями высшего порядка.

Свет далёкой звезды на мгновение усиливается, когда между ней и телескопом проходит массивный невидимый объект. Это явление — гравитационное микролинзирование — работает как природный телескоп. Обычно в роли такой линзы выступает чёрная дыра, искажающая пространство-время вокруг себя.

Гигантское скопление галактик Abell S1063, лежащее в 4 миллиардах световых лет, работает не просто линзой, а гравитационным колодцем времени.

Детский мобиль: фигурки висят на нитях и откликаются на любое дуновение. Подобно им, планеты на очень широких орбитах едва удерживаются тяготением звезды — и чувствуют малейшие гравитационные «сквозняки».

Прожектор светит сквозь тёмный зал. Между лампой и стеной проплывает невидимая линза — и пятно света на мгновение становится ярче, чуть смещается. Именно это пять ночей подряд высматривал телескоп DECam, нацеленный на Большое Магелланово Облако — галактику-спутник нашего Млечного Пути. Он поймал вспышку длиной всего в час.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Фотографирование окрестностей чёрной дыры напоминает съёмку фонтана: короткая выдержка замораживает капли, длинная сливает всё в мутные полосы. Свет раскалённого газа, кружащего возле дыры, идёт до нас разными путями.

Свет далёкой планеты, разложенный на цвета, вдруг резко подскакивает на границе красного и невидимого инфракрасного — словно кто-то щёлкнул выключателем. Так проявляет себя красный край растительности: хлорофилл прозрачен для ближнего инфракрасного излучения, и лист, спасаясь от перегрева, отбрасывает его прочь.

Световая карусель кружит не людей, а электроны. Только вместо деревянных лошадок — невидимые лопасти из света. Именно такую «карусель» построили физики, чтобы придавать электронам вращение. Обычно, чтобы закрутить поток электронов в вихрь, нужна крошечная маска — трафарет с прорезями, вырезанный на масштабе атомов. Изготовить её крайне сложно.

Огромное тёмное облако газа раскинулось по молодой Вселенной. Внутри него, словно невидимые пальцы, пронизывают магнитные силовые линии, оставшиеся от самого рождения мира. Эти поля действуют на заряженные частицы, подталкивая их друг к другу — как лёгкий ветер, сгоняющий опавшие листья в кучки.

В идеальный сейф спрятали крошечную монетку, но его стенки так тонки, что монетка иногда проходит сквозь них, оставляя едва уловимый звук. Аксионы — это и есть такие монетки, только вместо металла — частицы, а вместо сейфа — обычное вещество. Они почти не замечают преград, и поймать их напрямую чрезвычайно трудно.

Далекий квазар выглядит как четыре огонька, сложенные крестом. Так его показывает гравитация галактики, лежащей на луче зрения: она работает как неровное стекло и размножает изображение. Каждый огонёк — это один и тот же объект, но свет от него идёт разными путями. Поэтому, когда квазар вспыхивает, четыре картинки откликаются не одновременно и не одинаково.

Свет, рождённый в момент Большого взрыва, шёл к нам почти 14 миллиардов лет. Но по пути он проходил сквозь гравитационные поля галактик и скоплений тёмной материи — гипотетической формы материи, не участвующей в электромагнитном взаимодействии и потому недоступной прямому наблюдению. Эти поля искривляли лучи, подобно тому, как неровное стекло искажает изображение.

Далекая галактика, похожая на наш Млечный Путь, выдувает газ в космос, как фен сдувает пыль со стола. Семь лучей света от еще более далекого объекта пронзили это газовое облако, и астрономы увидели, что поток газа узкий, как струя из шланга, а не широкий, как веер. Скорость газа достигает 239 километров в секунду — это в 200 раз быстрее пассажирского самолета.

Свет от далёких галактик проходит через скопления вещества, и гравитация этих скоплений слегка искривляет его путь, как линза. По тому, насколько сильно искажаются изображения далёких галактик, можно судить о распределении вещества и о том, как гравитация влияет на свет.

Свет, попадая на прозрачную пластинку, частично отражается от её поверхности. Для астрономов это потеря драгоценных фотонов от далёких звёзд. Новые микролинзы, напечатанные на 3D-принтере из смолы IPX Clear, пропускают видимый и ближний инфракрасный свет, но на границе с воздухом теряют около 8%. Решение подсказала природа.

Массивное скопление галактик своим гравитационным полем искривляет пространство-время, действуя как гигантская линза: она фокусирует и усиливает свет далёких объектов — эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Свет далёких галактик, проходя сквозь массивные скопления вещества, испытывает искажения — подобно тому, как дно бассейна кажется раздробленным из-за ряби на поверхности воды.

Планету-одиночку KMT-2024-BLG-0816, одну из множества свободно плавающих планет — то есть тел планетной массы, не привязанных гравитацией ни к одной звезде, — обнаружили благодаря эффекту гравитационного микролинзирования.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной, проявляющий себя лишь через гравитацию. Вера Рубин, изучая вращение галактик, обнаружила, что звёзды на периферии движутся слишком быстро — так, словно их удерживает незримая масса.

Астрономы обнаружили во Вселенной объект-невидимку массой всего около миллиона солнечных масс — по космическим меркам это ничтожно мало, примерно в сто раз легче всего, что ранее удавалось «взвесить» на сопоставимых расстояниях. Сам объект не излучает света, но проявил себя через эффект гравитационного линзирования: он искривил свет ещё более далёкой галактики.