В глубоком космосе нашлись десятки линз

Учёные нашли на крохотном участке неба 67 новых гравитационных линз. Это означает, что общее число таких объектов на небе должно составить не менее полумиллиона. Их изучение позволит наконец установить свойства загадочной «тёмной материи» и протестировать космологические модели.

Большая команда астрономов из Германии, Франции, Чили, США, Италии и Канады опубликовала результаты масштабного исследования по поиску гравитационных линз в глубоком космосе. Используя данные целого ряда наземных и космических обсерваторий, полученные в рамках проекта COSMOS, учёные под руководством Жана-Поля Книба и Сесиле Фауре нашли на крошечном участке неба в скромном созвездии Секстанта 67 причудливых изображений, созданных гравитационным полем огромных галактик. По всему небу таких объектов должно быть никак не меньше полумиллиона, считают учёные.

Гравитационное линзирование – явление отклонения лучей света полем тяготения массивных объектов. Само явление было предсказано ещё Исааком Ньютоном, пытавшимся таким образом объяснить, как свет огибает мелкие объекты; попытка, кстати, была напрасной. Однако в теории тяготения Альберта Эйнштейна – общей теории относительности – эффект отклонения лучей света массивными телами оказался одним из важнейших. Именно наблюдение отклонения лучей света Эддингтоном и Дайсоном во время солнечного затмения стало одним из главных подтверждений правоты Эйнштейна, однако сам великий физик считал эффект забавным, но вряд ли способным когда-либо найти реальное применение.

Как оказалось, здесь Эйнштейн ошибался.

Он ровно четверть века не дожил до обнаружения первой гравитационной линзы – двойного квазара, в котором изображение яркого ядра далёкой галактики надвое расщепила массивная звёздная система, оказавшаяся на пути света. За последующие три десятилетия астрономы научились использовать гравитационное линзирование для решения огромного числа задач. Преимуществом этого метода является то обстоятельство, что он позволяет исследовать не только наблюдаемое в телескопы светящееся вещество, но и загадочную «тёмную материю», которой во Вселенной в десятки раз больше, чем материи обычной.

Сейчас линзирование делят на три больших направления – сильное, слабое и микролинзирование. Результаты проекта – каталог найденных линз – подготовлены к публикации в журнале Astrophysical Journal.

Они изучили небольшой участок неба площадью 1,6 квадратного градуса – это около восьми дисков Луны или Солнца. Наблюдения в рамках проекта COSMOS проводились, в первую очередь, с помощью космического телескопа имени Хаббла, а также наземных инструментов – японского телескопа Subaru и канадско-франко-гавайского телескопа CFHT. Кроме того, были использованы и данные, полученные с помощью наземных радиоантенн и космических рентгеновских телескопов.

Именно совместное использование космического и наземных телескопов позволило найти галактики-линзы.

Телескоп имени Хаббла обладает отличным разрешением, и его улучшенная камера для обзоров (ACS, Advanced Camera for Surveys) позволяет получать очень подробные изображения на больших участках неба. Тем не менее съёмки он вёл лишь в одном спектральном фильтре, что не даёт возможности оценить расстояние до далёких галактик. Для поиска линз такая информация очень важна, поскольку галактика-линза должна быть, с одной стороны, не очень близкой – «сила» гравитационной линзы возрастает с расстоянием до неё, но и не слишком далёкой, так как галактика, изображение которой будет строить линза, должна лежать за ней и при этом оставаться видимой.

Здесь возможности космического телескопа дополнили телескопы наземные. Они вели съёмки в нескольких фильтрах, а в некоторых случаях удавалось получить и полноценный спектр. Собственно, именно спектр в идеале и нужен. При расширении Вселенной растягиваются и световые волны, так что, измерив наблюдаемую длину волны, соответствующую тому или иному элементу, можно определить, когда был излучён свет, а следовательно, и расстояние до объекта.


Хотя полтора квадратных градуса кажется небольшой площадкой, на ней удалось хорошо разглядеть, получив оценки расстояния для 280 тысяч галактик. Понятно, что обследовать каждую из них индивидуально невозможно. Поэтому далее учёные пропустили галактики через своего рода «сито» из четырёх этапов. Сначала учёные выделили лишь галактики на умеренных расстояниях (красное смещение z от 0,2 до 1,0) и отобрали из них самые яркие (светимостью не меньше 1/10 светимости Млечного Пути – гигантской галактики, в которой мы живём). Учёные не без основания полагали, что самые яркие будут и самыми массивными, а следовательно, наиболее эффективными линзами. Это позволило сократить число кандидатов до 9452 штук.

Правда, в наше время, когда всю информацию можно считать с экрана компьютера, учёным было легче, чем сотрудникам профессора МГУ Бориса Воронцова Вельяминова, пересмотревшим в середине прошлого неба фотоснимки половины всего неба под микроскопом. Зато результат их работы – «Атлас и каталог взаимодействующих галактик» есть сейчас почти в каждой обсерватории и каждом астрономическом институте мира.

А здесь началась тупая, но очень важная работа по визуальной идентификации кандидатов. Пять соавторов работы один за одним просмотрели почти десять тысяч объектов крохотных фрагментов хаббловских фотографий размером 10 на 10 угловых секунд, стараясь найти на них дужки и характерные множественные конфигурации похожих друг на друга галактик. Это огромная работа. Так список был сокращён до 337 кандидатов.

Затем изображения в разных фильтрах были скомбинированы в единый цветной снимок, чтобы далее сузить список кандидатов: гравитационное линзирование ахроматично, так что разные изображения одной и той же галактики или разные участки длинной дуги не могут иметь разные цвета. На последнем этапе учёные составляли детальную модель галактики-линзы и на компьютере вычитали её из реального изображения. В результате вычитания у истинных линзированных изображений наблюдались явные искажения галактики-источника, а также кратные изображения одного и того же объекта.

В итоговом списке оказались 67 объектов. Два десятка из них, то есть 0,2% всех объектов, подходивших под исходные критерии, – длинные дуги и кратные изображения.

Несколько объектов – полные «кольца Эйнштейна», возникающие при почти идеальном выстраивании на одной линии галактики-источника, галактики-линзы и Млечного Пути, где находимся мы, наблюдатели. «Кольца Эйнштейна» показаны в нашей фотогалерее. Они особенно ценны для дальнейших исследований, поскольку помогают оценить массу галактики-линзы, не делая каких-либо дополнительных предположений. А это даёт возможность проследить за распределением невидимой «тёмной материей» и установить её физические свойства, всё ещё ускользающие от исследователей.

До сих пор по всему небу удавалось найти лишь сотню таких кратных изображений. Однако, по словам руководителей работы, их результаты показывают, что Вселенная буквально переполнена гравитационными линзами. Экстраполяция полученных результатов на всё небо предсказывает, что их удастся найти не менее полумиллиона. Их обнаружение и подробное исследование позволит узнать не только свойства материи, но и современные космологические теории.

Впрочем, визуальное обследование 9,5 тысячи галактик далось, видимо, не даром.

По словам Книба, впредь научная группа планирует использовать найденные ею гравитационные линзы в качестве шаблонов, на которых будут «натасканы» компьютерные алгоритмы поиска гравитационных линз. Соответствующие адаптивные алгоритмы уже разработаны, а однородность выборки, полученной в данном проекте, гарантирует, что их обучение пройдёт не зря. Остаётся ждать лишь получения новых данных похожего качества.

© gazeta.ru / 2008-02-21