Что такое гравитационное линзирование и как его может использовать телескоп Джеймс Уэбб
Если вы видели первые изображения с космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) на этой неделе, вы, возможно, слышали термин «гравитационное линзирование». Но что это означает? И как это может помочь этому новому телескопу делать открытия?
На самом первом изображении, сделанном Джеймсом Уэббом, был показан сверкающий звездный пейзаж скопления галактик SMACS 0723. На изображении много всего происходит, но если вы посмотрите внимательно, вы заметите, что некоторые галактики кажутся размытыми, а их свет растянут.
Однако это не артефакт телескопа — это искажение самой реальности в фотографируемой области пространства.
Гравитация неразрывно связана с массой, поэтому чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное влияние. Эта сила привязывает нас к Земле и заставляет планету вращаться вокруг Солнца. Но то, как это работает, более странно, чем многие могут себе представить: гравитация деформирует саму ткань пространства-времени.
«Скажем, есть группа массивных галактик, расположенных близко друг к другу; то есть скопление галактик», — говорят ученые. «Произойдет то, что коллективная масса здесь очень большая, она создаст искривление пространства вокруг этого — аналогичный эффект можно наблюдать на матрасе кровати, если положить на него тяжелый мяч. Поэтому, когда свет от фоновой галактики проходит через эту область, его путь искривляется. Это приводит к удлиненным изображениям фоновых галактик».
Это явление известно как гравитационное линзирование, и его эффекты хорошо видны на новых изображениях, сделанных JWST.
Такие искажения в пространстве создает вся материя, но эффекты гравитационного линзирования заметны только тогда, когда присутствует поистине астрономическое количество материи, действующей как линза, как, например, объединенное скопление галактик, наблюдаемое на новом изображении JWST.
На этих изображениях мы видим свет от очень далеких галактик, изгибающийся вокруг скопления на переднем плане, создавая впечатляющие дуги. Поскольку скопления галактик не являются идеальными сферами, это явление часто может создавать странные особенности, такие как зеркальные отражения одной и той же галактики.
Как следует из названия, гравитационное линзирование может увеличивать очень удаленные объекты, в том числе те, которые находятся слишком далеко, чтобы их можно было увидеть иначе. Это дает астрономам возможность заглянуть в самые дальние уголки пространства и времени.
«Ключевой особенностью здесь является то, что гравитационные линзы не только искажают свет, но и увеличивают его, как телескоп.
-Поэтому, если вы смотрите на далекую Вселенную с помощью JWST через гравитационную линзу, это как если бы вы прикрепляли к JWST дополнительную линзу, которая позволяет вам видеть еще более далекие галактики, чем без гравитационной линзы».
Факторы, которые делают JWST особенно искусным в использовании этого явления, те же самые, которые делают его хорошим во многих вещах: большое зеркало, работающее в инфракрасном диапазоне. Большое зеркало помогает в двух отношениях: оно не только собирает больше света (поэтому можно увидеть более слабые объекты), но и создает более четкие изображения (поэтому можно увидеть более мелкие объекты).
Работа с инфракрасными длинами волн также полезна, потому что эффект красного смещения означает, что свет очень удаленных объектов во Вселенной смещается по спектру от видимого к инфракрасному. Поскольку цели, на которые астрономы смотрят с помощью гравитационных линз, слабы, малы и очень далеки, JWST существенно выигрывает у меньших телескопов, работающих в видимом диапазоне длин волн, таких как Хаббл.
Астрономы могут многое узнать благодаря беспрецедентной мощности Джеймса Уэбба в сочетании с гравитационным линзированием, которое позволяет им изучать вселенную такой, какой она была в первые годы после Большого взрыва.
«JWST уже визуализирует некоторые из первых поколений галактик, сформировавшихся во Вселенной. У него также есть возможность снимать их спектры, благодаря чему свет от галактики разделяется на составляющие его длины волн, что позволяет астрономам идентифицировать отдельные элементы.
-Спектры линзированных галактик в поле SMACS 0723 уже показывают нам, что галактики, сформировавшиеся в течение первых нескольких сотен миллионов лет существования Вселенной, содержат кислород — элемент, который образуется только внутри звезд. Эти наблюдения в сочетании с наблюдениями за первичным газообразным водородом с помощью низкочастотных радиотелескопов, таких как Murchison Widefield Array, подсказывают нам, когда во Вселенной сформировались первые поколения звезд» — говорят ученые.
«И мы также можем получить точное новое измерение скорости расширения и возраста Вселенной, измерив разницу во времени прохождения света вокруг гравитационных линз для переходных событий, таких как взрывающиеся звезды или мерцающие квазары. Поэтому мы ожидаем, что комбинация JWST и гравитационного линзирования станет чрезвычайно мощным способом исследования далекой Вселенной».
Первые изображения — это всего лишь пример того, что нас ждет впереди, и ученым не терпится узнать, какие открытия сделает космический телескоп Джеймс Уэбб в ближайшее время.