Гравитационные линзы [Павел Викторович Блиох] (pdf) читать онлайн

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ. ТЕХНИКЕ
ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА,
АСТРОНОМИЯ
1/1990
Издается ежемесячно с 1971 г.

П. В. Блиох,
А. А. Минаков

ГРАВИТАЦИОННЫЕ
ЛИНЗЫ
В

приложении

этого

НОВОСТИ АСТРОНОЛ1ИИ

Издательство «Знание» Москва 1990

номера:

ББК 22.6
Б69
Редактур: ВИРКО И. Г.

Б 69

Блиох П. В., Минаков Л. А.
Гравитационные линзы. — М.: Знание, 1990. —
64 с., ил. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер.
«Космонавтика, астрономия»; № 1),
18В1Х1 5-07-001197-9
15 к.
В брошюре рассказывается об истории открытия нового астрономиасского явления — гравитационных линз, о том, какие линзы об­
наружены к настоящему времени и как это явление используется в
современной астрофизике для изучения свойств далеких космических
объектов (квазаров, галактик).
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся
актуальными проблемами познания Вселённой.

1605000000

18В\ 5-07-001 197-9

ББК 22.0

© Блиох П. В., Минаков А. А., 1990 г.

ВВЕДЕНИЕ

В 1989 г. мировое астрономическое сообщество от­
метило своеобразный юбилей — 10 лет со дня открытия
первой гравитационной линзы. Вторая половина XX в.
оказалась весьма удачной для астрономов. В 1960 г. бы­
ли открыты квазары — самые далекие и мощные кос­
мические источники. Спустя всего семь лет (в 1967 г.)
обнаружили пульсирующие источники-пульсары с уди­
вительно постоянными периодами следования импульсов
(вначале даже показалось, что наконец-то приняты сиг­
налы от внеземных цивилизаций). Еще один небольшой
перерыв, как будто бы нарочно спланированный для то­
го, чтобы астрономы могли прийти в себя, и в 1979 г. но­
вая сенсация — обнаружена гравитационная линза!
Внешне этот объект выглядит более чем скромно.
Он предстал перед наблюдателями в виде двух слабых
голубоватых звездочек в созвездии Большой Медведи­
цы. Интересно, что фотографии этих звездочек были по­
лучены еще в 1950 г. (невооруженным глазом они не
видны), но их удивительные свойства обнаружили толь­
ко в 1979 г., когда удалось провести спектральный ана­
лиз их излучения. Спектры двух источников оказались
настолько неправдоподобно совпадающими друг с дру­
гом, что было высказано предположение о том, что на
самом деле здесь наблюдается двойное изображение од­
ного и того же источника, своего рода «космический мира'ж». О земных миражах, с которыми встречается пу­
тешественник в морях и пустынях, знает каждый. Из­
вестно, что они возникают довольно часто. «Космические
миражи» — явление очень редкое и до 1979 г. никогда
не отмечалось. Открытие первой гравитационной линзы
стимулировало целенаправленные поиски других линз,
которые и были вскоре обнаружены. К моменту напи­
сания этой книги уже известны 17 объектов с проявле­
ниями линзового эффекта сил тяготения.
3

По почему астрономическое сообщество столь живо
отреагировало на открытие гравитационной линзы? Ведь
в том, что они должны существовать, никто не сомне­
вался, потому что искривление лучей света в поле тя­
жести, предсказанное А. Эйнштейном, было эксперимен­
тально подтверждено еще в 1919 г. А. Эддингтоном, а
это явление и составляет физическую основу действия
гравитационной линзы. Дело в том, что обнаружить про­
явления линзового эффекта не так-то просто. Открытие
1979 г. было подготовлено непрерывным совершенство­
ванием техники наблюдений, благодаря чему границы
видимой части Вселенной все время расширялись. Ыо
чем дальше расположен наблюдаемый источник, тем
вероятнее, что на пути к Земле его излучение подверг­
нется действию сил тяготения близких небесных тел. Бо­
лее того, на самом деле астрономы «смотрят» в глуби­
ны Вселенной только сквозь пронизывающие все про­
странство гравитационные поля звезд, галактик, скопле­
ний галактик и, возможно, еще не открытых космиче­
ских объектов. По мере совершенствования астрономиче­
ских инструментов и расширения диапазона длин волн,
на которых ведутся наблюдения, учет гравитационной
фокусировки (или дефокусировки) становится все бо­
лее необходимым.
Но это еще не все. История развития науки и тех­
ники показывает, что вновь открытое явление по мере
его изучения само постепенно превращается в «инстру­
мент», с помощью которого делаются новые открытия.
В данном случае можно сказать, что мы имеем дело с
гигантскими «телескопами», созданными самой приро­
дой, и будет очень досадно, если мы не сумеем ими вос­
пользоваться. Не меньший интерес представляет изуче­
ние и самих «линз», потому что значительная (а скорее
всего, даже большая) часть материи во Вселенной на­
ходится в ненаблюдаемой форме, поскольку она нс из­
лучает электромагнитные волны. Однако гравитацион­
ные поля, создаваемые «скрытой массой», могут быть
обнаружены и исследованы по тем изменениям, которые
претерпевает излучение далеких источников, проходя
сквозь «линзу». Обо всем этом рассказывается в дан­
ной брошюре.

4

СВЕТ И РАДИОВОЛНЫ
ТОЖЕ ПОДЧИНЯЮТСЯ ЗАКОНУ
ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ

За 300 лет, прошедших со времен И. Ньютона, закон
всемирного тяготения стал настолько привычным, что
утверждение «Все тела притягиваются друг к другу»
иногда приводят как пример тривиальной истины. Не
столь известно, что в число «тел», на которые дейст­
вует сила тяжести, входят и «частицы света» — фотоны.
Поэтому световой луч, проходя вблизи небесного тела,
немного искривляется. Поток первоначально параллель­
ных лучей, обтекающих центр притяжения со всех сто­
рон, после преломления в гравитационном поле превра­
щается в поток сходящихся лучей. На некотором рас­
стоянии от притягивающего тела лучи пересекаются,
подобно тому, как это происходит в обычной собиратель­
ной линзе. Так возникает эффект гравитационной лин­
зы (ГЛ).
Фокусировку света и радиоволн в полях тяготения
удалось наблюдать совсем недавно (в 1979 г.), но исто­
рия ГЛ началась значительно раньше. О том, как воз­
никла идея о возможности существования ГЛ и какие
драматические события связаны с фундаментальным ут­
верждением о преломлении световых лучей в поле тяже­
сти. следует рассказать более подробно. Мы начнем с
1938 г., когда в шестом номере журнала «Природа» по­
явилась статья известного советского астронома Г. А.
Тихона под названием «Следствия возможного откло­
нения световых лучей в поле тяготения звезд». В ней
полностью описана ГЛ, хотя сам термин автором не ис­
пользовался. Касаясь истории вопроса, Г. А. Тихов пи­
сал: «Летом 1935 г. мне пришла мысль исследовать во­
прос об отклонении лучей в поле тяготения звезд...
К концу 1935 г. я уже сделал значительную часть ра­
боты и в январе 1936 г. прочитал об этом доклады
в Ленинграде и Пулкове. Впоследствии оказалось, что
начиная с того же 1935 г. этим вопросом занимались
еще несколько ученых, в числе которых находился и сам
Эйнштейн». Действительно, примерно в то же время в
1936 г. в американском журнале «Сайенс» появилась за­
метка А. Эйнштейна «Линзоподобиое действие звезды
при отклонении света в гравитационном поле». Нередко
на эту статью ссылаются как на первую работу по гра­
витационной фокусировке, хотя на самом деле извест­

ны и более ранние публикации. Об одной из них, при­
надлежащей русскому физику О. Д. Хвольсоиу (1924 г.),
упоминается в той же статье Г. А. Тихона. По и эта ра­
бота не была самой первой. О некоторых оптических
эффектах, которые должны наблюдаться при прохожде­
нии света в поле тяготения звезды, говорилось еще
раньше в статьях английских астрономов О. Лоджа
(1919 г.) и А. Эддингтона (1920 г.). Правда, Лодж воз­
ражал против самого термина «линза», а Эддингтон,
хотя и указал на возможность появления двух изобра­
жений одной звезды, сделал неправильные выводы об
уменьшении их яркости (на самом деле за счет фокуси­
ровки яркость изображений может и возрастать). Тем
не менее имена этих ученых, конечно, должны быть
включены в список первопредсказатслсй гравитационных
линз.
Нельзя забывать и еще об одном человеке. Мы име­
ем в виду чешского инженера-электрика Р. Мандла. Он
сам не писал статей о ГЛ, но своп мысли о них выска­
зал Эйнштейну, который и произвел необходимые рас­
четы. Об этом прямо говорится в самом начале работы
Эйнштейна: «Некоторое время тому назад меня посетил
Р. Мандл и попросил опубликовать результаты неболь­
шого расчета, который я провел по его просьбе. Усту­
пая его желанию, я решил опубликовать эту заметку».
Среди упомянутых публикаций выделяются работы
А. Эйнштейна и Г. А. Тихова, выполненные независимо
друг от друга и практически одновременно. В них име­
ются необходимые расчеты (у Г. А. Тихова более по­
дробные), тогда как во всех предыдущих статьях содер­
жались лишь качественные описания некоторых прояв­
лений линзового эффекта. В последующие годы в раз­
личных странах появилось большое число работ на эту
тему. Особенно возрос поток публикаций после обнару­
жения первой ГЛ. Сегодня число статей, посвященных
эффекту ГЛ, измеряется уже сотнями. Об основных иде­
ях. которые в них содержатся, мы расскажем в дальней­
шем, а пока что вернемся почти на 200 лет назад. Дело
в том, что немецкий астроном И. Зольднер рассчитал
угол преломления световых лучей в гравитационном по­
ле Солнца еще в 1801 г. Его расчет основывался на тео­
рии Ньютона и результат выражался следующей про­
стой формулой:
6

Здесь введены следующие обозначения (рис. 1): 0(п)к—■
угол гравитационного преломления светового луча, рас­
считанный по теории Ньютона (на это указывает верх­
ний индекс «и»)
ге = 2в = г„/р, то положительный ответ не вызы­
вает сомнения. Действительно, уже в первом издании
«Начал» (1687 г.) показано, что в центральном поле
тяготения траектории всех тел представляют собой од­
но из конических сечений. В частности, частица, путь
которой начинается с конечной скоростью из бесконеч­
ности, движется по гиперболе с фокусом в центре при­
тяжения. При малых углах отклонения угол между
асимптотами гиперболы (а это и есть угол преломле­
ния) равен как раз ге/р. Далее необходимо выяснить,
мог ли Ньютон применить законы движения материаль­
ных тел к световым частицам, допускал ли он их при­
тяжение к массивным телам? Известно, что ньютонов­
ская модель света очень сложна. Чего стоит, например,
такое определение («Оптика», 1704 г.): «Под лучами
света я разумею его мельчайшие части как при их но7

Рис. 1. Преломление светового
луча в поле тяготения Солнца

следовательном чередовании вдоль тех же линий, так
и одновременно существующие по различным линиям».
Здесь можно усмотреть корпускулярный характер тео­
рии, суть которой заключается в том, что свет состоит
из мельчайших частиц, вылетающих из источника по
всем направлениям. Далее Ньютон подчеркивает, что
корпускулы летят прямолинейно, но в то же время за­
дает вопрос: «Не действуют ли тела на свет на расстоя­
нии и не избегают ли этим действием его лучей, и не
будет ли (при прочих равных условиях) это действие
сильнее всего на наименьшем расстоянии?» Как будто
бы формулировка вопроса не оставляет сомнения в том,
что Ньютон размышлял о преломлении света в поле тя­
готения. Но мы воздержимся от столь категоричного
утверждения, так как приведенное выше высказывание
относится к опытам по дифракции света вблизи резко­
го края непрозрачных экранов. Вполне возможно, что
гравитационное воздействие здесь совсем и нс подра­
зумевалось. Однако, с другой стороны, заключительный
раздел первой книги «Начал» посвящен движению весь­
ма малых частиц под действием сил притяжения к боль­
шим телам. Там же говорится об аналогии между траек­
ториями этих частиц и световыми лучами.
Все необходимые данные о величинах, входящих в
формулу для определения ©("'„с (скорость света, масса
Солнца и его радиус), могли оказаться в распоряжении
Ньютона к моменту написания «Начал» или в крайнем
случае к моменту опубликования «Оптики», но такое
уточнение ничего, разумеется, не меняет, поскольку в
литературном наследии Ньютона расчета 0ч1., для
Солнца нет.
Немногим более чем через 10 лет после опубликова­
ния работы И. Зольднера французский физик О. Фре­
нель убедительно показал, что свет представляет собой
волновой процесс. Возможно, поэтому работа Зольдне­
ра, в которой свет рассматривался как поток частиц,
была надолго забыта, а преломление света в гравита­
ционном поле вновь привлекло к себе внимание уже как
8

эффект, предсказанный общей теорией относительности
(ОТО), создателем которой является Эйнштейн. Более
того, оказалось, что искривление светового луча вбли­
зи края диска Солнца играет чрезвычайно важную роль.
Этот эффект входит в экспериментальную основу ОТО
наряду с красным смещением (изменение частоты коле­
баний в поле тяготения) и смещением перигелия Мер­
курия. Среди упомянутых трех эффектов преломление
световых лучей является наиболее наглядным, и только
после того как он был обнаружен, теория относитель­
ности привлекла к себе всеобщее внимание.
События развивались следующим образом. Принцип
относительности для систем отсчета, движущихся отно­
сительно друг друга с произвольной, но постоянной ско­
ростью, был сформулирован Эйнштейном в 1905 г. Спу­
стя два года этот принцип был обобщен на системы от­
счета, движущиеся относительно друг друга с ускоре­
нием, что позволило установить влияние гравитацион­
ного поля па разнообразные физические явления, в том
числе и на распространение света. Проведенные в 1911 г.
расчеты угла отклонения в поле тяготения Солнца при­
вели Эйнштейна к старым (ньютоновским) результатам:
©в = ге/Р- Нет сомнения, что Эйнштейн не знал о работе
И. Зольднера 1801 г., так как, получив ту же формулу
для угла отклонения, он ничего не говорит о своем пред­
шественнике. Но вопрос о приоритете в определении 0е
мог иметь определенную остроту лишь в течение четы­
рех лет, потому что в 1915 г. появилась новая работа
Эйнштейна, в которой была окончательно сформулиро­
вана ОТО и установлено, что найденное ранее значение
угла преломления является заниженным ровно в 2 раза.
Причина расхождения заключается в том, что, соглас­
но ОТО, поле тяготения массивного тела, вблизи кото­
рого проходит луч света, вызывает искривление прост­
ранства-времени, что и приводит к дополнительному от­
клонению луча по сравнению с ньютоновским значением.
Итак, из теории Эйнштейна следовало, что
0