Вопрос о том, подвержена ли картина звёздного неба, которую мы наблюдаем, искажениям, занимал учёных с давних времён. Ещё в 1704 году Исаак Ньютон в своей книге «Оптика» предположил, что свет от звёзд должен огибать массивные объекты. Такое же предположение сделал в 1784 году британский физик и химик, член Лондонского королевского общества Генри Кавендиш, однако рукопись, где был сделан этот вывод, не была им опубликована. Впоследствии такой же вывод в 1801 году сделал немецкий физик, математик и астроном Иоганн Георг фон Зольднер. Его выводы, в которых он ссылался на закон всемирного тяготения Ньютона, были опубликованы в 1804 году. Альберт Эйнштейн также начал анализировать вопрос огибания массивных объектов светом от звёзд в 1911 году, и получил в рамках расчётов с использованием принципа эквивалентности значения, аналогичные тем, которые получил Зольднер. Однако в 1915 году Эйнштейн, завершая работу над общей теорией относительности, пришёл к выводу о том, что полученные им ранее результаты составляли лишь половину от правильного значения. Новые значения, полученные Эйнштейном, были математически обоснованными и показали, что отклонение света было существенно большим, чем это предполагалось до открытия общей теории относительности, однако необходимо было ещё провести практические наблюдения, подтверждающие этот принцип.

          В 1919 году английский астрофизик Сэр Артур Стэнли Эддингтон и английский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон, который в то время занимал должность королевского астронома и директора Гринвичской обсерватории, а также их коллеги провели наблюдения полного солнечного затмения 29 мая. Во время затмения осуществлялось наблюдение видимых звёзд вблизи Солнца. Наблюдения одновременно проводились в районе западного побережья Африки (Сан-Томе и Принсипи) и в Бразилии в городе Собрал (штат Сеара). Результаты наблюдений были опубликованы Дайсоном, Эддингтоном, а также ещё одним астрономом Чарльзом Рэндлом Дэвидсоном, который проводил наблюдения в Бразилии вместе с Эндрю Кроммелином, и сделал фотографии, которые подтвердили выводы Эйнштейна. Работа Дайсона, Эддингтона и Дэвидсона вышла в журнале «Философские труды Королевского общества» под названием «Определение отклонения света гравитационным полем Солнца по результатам наблюдений во время полного затмения 29 мая 1919 года». В работе были проанализированы результаты наблюдений, согласно которым свет от звёзд, проходящий близко от Солнца, слегка искривляется, из-за чего звёзды кажутся несколько смещёнными. Это открытие стало ярким подтверждением общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

     Встал, однако, вопрос о том, можно ли провести наблюдения, которые продемонстрировали бы не только отклонение света звёзд под действием гравитации Солнца, но и могли бы, скажем, предоставить увеличенные изображения отдалённых космических объектов либо вообще предоставить несколько одновременно наблюдаемых изображений таких объектов. Сам Эйнштейн ещё в 1912 году в ходе работы над общей теорией относительности предположил возможность гравитационного линзирования, когда свет, огибающий массивное тело, предоставляет наблюдателю возможность увидеть несколько изображений от одного и того же источника. Однако Эйнштейн и другие физики, выдвигавшие аналогичные гипотезы, предполагали, что наблюдать такое явление вряд ли удастся в связи с низкой вероятностью удачного расположения звёзд и наблюдателя для получения наблюдателем нескольких видимых проекций изображений удалённых космических объектов в рамках гравитационного линзирования. Тем не менее, Эйнштейн всё же провёл расчёты для потенциального наблюдения этого явления, но не стал их публиковать. Вариации отклонения света в результате гравитационного линзирования могут быть сами разными – возможно не только изменение пространственного положения изображения на небосводе и получение двух изображений объекта, но и ситуация, когда появляется «эффект ореола», описанный замечательным русским и советским физиком Орестом Хвольсоном в статье 1924 года. Такой эффект должен проявляться, когда наблюдатель, источник излучения и массивная космическая линза находятся почти на одной линии. В 1936 году Эйнштейн упомянул об этом эффекте в одной из своих статей, однако указал на низкую вероятность обнаружения такого эффекта. Впрочем, Эйнштейн исходил из того, что кольцо должно наблюдаться вследствие наблюдения звёзд в качестве линз и не рассматривал вероятность использования галактик и чёрных дыр в качестве гравитационных линз. Первое такое кольцо, которое было названо кольцом Эйнштейна-Хвольсона, было обнаружено лишь в 1998 году в результате совместной работы учёных Манчестерского университета и НАСА с помощью космического телескопа «Хаббл». Впрочем, в ближайшее время есть определённая вероятность того, что кольцо Эйнштейна-Хвольсона будет в ближайшее время обнаружено и для случая, когда его образовывает звезда по отношению к другой звезде. Некоторые исследователи полагают, что уже в начале мая 2028 года такое кольцо будет наблюдаться в момент, когда звезда Альфа Центавра А окажется между нами и отдалённой красной звездой, вероятность этого события оценивается в 45 %.

      Тем не менее, исследователи после опубликования Эйнштейном статьи об эффекте ореола в 1936 году начали с разных сторон анализировать вероятность наблюдения отдалённых объектов с помощью метода гравитационного линзирования. Так, уже в 1937 году швейцарский астроном Фриц Цвикки рассмотрел возможность использования недавно открытых галактик, называвшихся в то время «туманностями», в качестве гравитационных линз и указал на то, что с учётом их большого размера и массы этот эффект будет значительно более вероятен для наблюдения, причём этот эффект может использоваться для более детального наблюдения других галактик, которые будут служить в качестве источника изображения. А в 1963 году сразу трое учёных (норвежский астрофизик Сьюр Рефсдал, советский астроном Ю.Г. Климов и американский астроном Сидней Либес) независимо друг от друга обратили внимание на то, что прекрасным источником света для эффекта гравитационного линзирования являются квазары, которые были впервые открыты незадолго до этого (первый квазар 3С 48 впервые был обнаружен в конце 1950-х годов американскими астрономами Алланом Сэндиджем и Томасом Мэтьюзом во время радиообзора неба).

          Лишь в 1979 году группа астрономов (Деннис Уолш, Рей Вейман и Роберт Карсуэлл) смогла наблюдать в ходе практических наблюдений изображение объекта, полученное с помощью гравитационной линзы. Исследователи работали на 2,1 метровом телескопе в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне, США, и обнаружили двойной квазар QSQ 0957+561 А/В. Оба компонента объекта располагались очень близко и были схожи по характеристикам. Исследователи обратили внимание, в частности, на то, что квазары не только расположены необычно близко друг к другу, но также обладают аналогичным красным смещением и спектром видимого света. Команда исследователей опубликовала своё предположение о существующей «возможности того, что это два изображения одного и того же объекта, сформированных гравитационной линзой». Исследователи определили, что два изображения получены от одного и того же квазара, поскольку свет квазара на пути к наблюдателю прошёл вблизи галактики YGKOW G1, находящейся на расстоянии 4 миллиардов световых лет от Земли. При этом квазар QSQ 0957+561 А/В (также известный как Двойной квазар или Twin QSQ) удалён от нас на 8,7 миллиарда световых лет. Такой вывод был сделан на основании оптических наблюдений и спектрального анализа.

          Другие исследователи приступили к независимой проверке выводов команды Уолша. Так, Дэвид Робертс провёл анализ двух изображений квазара в радиочастотном диапазоне на радиотелескопе VLA в штате Нью-Мексико, США. Робертс обнаружил, что, во-первых, в объекте А зафиксирована выходящая из него релятивистская струя, отсутствующая в объекте В, а, во-вторых, расстояние в 6 угловых секунд, по мнению исследователя, было слишком большим, чтобы связать его с гравитационным эффектом галактики YGKOW G1.

           Однако группа других исследователей во главе с Питером Дж. Янгом обнаружили, что галактика YGKOW G1 является частью скопления галактик, что увеличивает гравитационное отклонение изображения и объясняет расстояние между изображениями. Другая группа исследователей во главе с Марком Горенштейном в 1983 году провела дополнительные исследования и установила, что релятивистские струи от объектов А и В по сути идентичны. Объяснение некоторых спектральных различий между квазарами А и В было связано с различной плотностью межгалактической среды на пути света. Это связано с явлением так называемой межзвёздной экстинкции, когда гашение света (поглощение и рассеяние электромагнитного излучения веществом, таким как межзвёздная пыль и межзвёздный газ) различается в зависимости от плотности межзвёздного вещества в конкретных участках на пути прохождения светового излучения.

           В течение последующих тридцати лет различными группами исследователей проводились спектральные исследования межзвёздного пространства на пути следования света в отношении изображений А и В. Было установлено, что изображение квазара В достигает Земли на 14 месяцев позже, чем изображение квазара А. В связи с этим возникает разница в длине пути в 1,1 световых года.

             После открытия Уолшем, Вейманом и Карсуэллом гравитационного линзирования в дальнейшем были получены различные изображения космических объектов, в том числе необычные, объяснявшиеся данным явлением. Помимо кольца Эйнштейна-Хвольсона, о котором говорилось выше, в созвездии Пегаса наблюдается, например, такое необычное явление, как крест Эйнштейна. Крест Эйнштейна представляет четыре изображения квазара с располагаемой в центре галактикой-линзой. Появление сразу четырёх изображений объясняется тем, что ядро галактики-линзы обладает квадрупольным распределением плотности. Под квадрупольным распределением плотности понимается распределение зарядов или электронной плотности в системе, которое не обладает сферической симметрией и характеризуется квадрупольным моментом. Крест Эйнштейна наблюдается в связи с тем, что гравитационное поле галактики-линзы не является идеально сферическим. Если бы распределение массы в ядре галактики было симметричным, то свет от фонового источника образовал бы кольцо Эйнштейна. В данном же случае ядро галактики и её гравитационный потенциал имеют эллиптическую форму. Квадрупольная составляющая возмущает симметрию и создаёт четыре точки фокусировки лучей света – каустики. Именно эти точки проецируются для земного наблюдателя как четыре изображения квазара, а сама галактика-линза располагается ровно в их центре.

                   В целом гравитационное линзирование можно классифицировать на три разновидности – сильное линзирование, слабое линзирование и микролинзирование. Сильное гравитационное линзирование образует кольца Эйнштейна, дуги и множественные изображения. Слабое линзирование обнаруживается статистическим анализом большого количества источников и указывает на небольшие когерентные искажения. Результаты изучения слабого линзирования могут быть полезны для уточнения космологических параметров, изучения природы тёмной энергии, а также совершенствования модели Лямбда-CDM – современной стандартной космологической модели, описывающей пространственно-плоскую Вселенную, заполненную барионной материей, тёмной энергией (описываемой через космологическую постоянную – лямбда-член в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной-материей. Что касается микролинзирования, форма наблюдаемого объекта в данном случае не меняется, однако количество света, получаемого от фонового объекта, меняется с течением времени. Фоновым источником в таком случае может быть удалённый квазар или звезда в далёкой галактике, а объектом линзирования – звезда в Млечном пути. Эффект микролинзирования может приводить к увеличению видимого изображения звезды из отдалённой галактики. В качестве такого примера можно назвать звезду Икар (MACS J1149 Lensed Star 1), голубой сверхгигант, наблюдаемый через гравитационную линзу.

           Открытие явления гравитационного линзирования Деннисом Уолшем, Реем Вейманом и Робертом Карсуэллом в 1979 году открывает большие перспективы для изучения удалённых космических объектов. Они были бы труднодоступны для наблюдений с применением обычных методов, однако гравитационные линзы, например, крупные галактики и скопления галактик дают возможность для изучения, например, квазаров, находящихся за многие миллиарды световых лет от нас. Возможно даже изучение очень отдалённых звёзд, что показал пример звезды Икар (MACS J1149 Lensed Star 1), что должно расширить представления о формировании звёзд в ранней Вселенной. Накопленные в результате применения метода гравитационного линзирования сведения дают возможность детальнее изучить раннюю Вселенную в состоянии, сформированном через относительно небольшое время после Большого взрыва. Кроме того, применение гравитационного линзирования даёт возможность аккумулировать знания о межзвёздной среде через анализ когерентных искажений от источников излучения. Метод даёт также возможность анализировать структуру ядер удалённых галактик, в том числе обладающих нетипичной формой, что может расширить представления о формировании галактик на более ранних стадиях развития Вселенной. Наконец, гравитационное линзирование может стать ключом к пониманию модели устройства Вселенной, в подтверждении Стандартной модели, а также в понимании природы тёмной энергии и тёмной материи, а также в улучшении нашего понимания распределения барионного вещества во Вселенной. Гравитационное линзирование может быть полезным для определения массы скоплений галактик, картографирования распределения тёмной материи во Вселенной, уточнения скорости расширения Вселенной, а гравитационное микролинзирование является перспективным для поиска экзопланет.

        Следует отметить, что открытие гравитационного линзирования в 1979 году и его последующая верификация были хорошим примером того, как должны проверяться научные открытия. Вслед за выдвижением обоснованной гипотезы Деннисом Уолшем, Реем Вейманом и Робертом Карсуэллом, которая была предложена на основании теоретических предсказаний Эйнштейна и Цвикки, последовало выявление потенциальных уязвимостей гипотезы Дэвидом Робертсом, после чего другие исследователи (Питер Дж. Янг и Марк Горенштейн) провели более точные наблюдения и нашли подробные объяснения потенциальным уязвимости в открытии Уолша и его команды. Таким образом, работа крупных научных коллективов, которые комплексно подошли к изучению эмпирических данных, дала возможность сформировать полноценное понимание и научное объяснение явления гравитационного линзирования.

Юрий Понажев, АГО, Смоленск