Зигзаг Эйнштейна

Космический телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал первый «зигзаг Эйнштейна». Ученые в восторге.

«Эта уникальная конфигурация линз позволяет нам одновременно ограничить как постоянную Хаббла, так и параметры темной энергии — что обычно невозможно».

21.11.2024, Роберт Ли, space.com

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, астрономы обнаружили первый «зигзаг Эйнштейна» — изображение одного квазара, повторенное шесть раз на одном изображении. Такое расположение было создано благодаря эффекту, впервые предсказанному Альбертом Эйнштейном в 1915 году под названием «гравитационное линзирование», и оно может помочь ученым предотвратить кризис в космологии.

Эта система, обозначенная как J1721+8842, состоит из квазара — чрезвычайно яркого галактического ядра — линзированного двумя далеко разнесенными, но идеально выровненными галактиками. Это не только невероятно редкий и захватывающий пример любопытного явления искривления пространства-времени, представленного в magnum opus теории гравитации Альберта Эйнштейна, общей теории относительности, но зигзаг J1721+8842 также обладает силой, которой нет у стандартных гравитационных линз.
Первый зигзаг Эйнштейна, увиденный человечеством, может помочь ученым разобраться с двумя величайшими загадками космологии. Первая загадка касается природы темной энергии, или силы, движущей ускоряющееся расширение Вселенной, которая составляет около 70% совокупного объема космической энергии и материи, а вторая связана с несоответствием, которое ученые обнаруживают при измерении значения скорости расширения Вселенной: постоянной Хаббла.

«Я взволнован не только потому, что это захватывающее природное явление, но и потому, что эта система невероятно перспективна для измерения космологических параметров, — сказал Space.com Мартин Миллон, член исследовательской группы и космолог Стэнфордского университета. — Эта система линз дает возможность наложить строгие ограничения как на постоянную Хаббла, так и на уравнение состояния темной энергии, что обычно невозможно».

Что такое гравитационная линза?

Общая теория относительности утверждает, что объекты с массой вызывают искривление ткани пространства и времени, объединенных в единое целое, называемое «пространством-временем». Чем больше масса объекта, тем большую «вмятину» он оставляет в пространстве-времени. Поскольку гравитация возникает из этой кривизны, чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное влияние.

Гравитационное линзирование происходит, когда свет от фонового источника проходит на своем пути к Земле мимо массивного линзирующего тела, вызывающего искривление пространства и искривляющего путь света. Таким образом, свет от этого фонового источника проходит разные пути вокруг гравитационной линзы, приближаясь к линзирующей массе на разных расстояниях, искривляясь в разной степени. Это означает, что этот свет от одного и того же фонового источника может прибывать в разное время к одному и тому же телескопу. В результате одно фоновое светоизлучающее тело может появляться в нескольких местах на одном изображении. Эти объекты могут образовывать такие формы, как кольца Эйнштейна, кресты Эйнштейна и, в этом уникальном в настоящее время случае, зигзаг Эйнштейна.

На самом деле JWST не был первым телескопом, заметившим J1721+8842. Линзированный квазар, который, если говорить точнее, состоит из ярко светящегося газа и пыли вокруг сверхмассивной черной дыры, был обнаружен Кэмероном Лемоном в 2017 году с помощью панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования (Pan-STARRS), расположенных в обсерватории Халеакала на Гавайях.

Сначала квазар казался линзированным всего четыре раза. Однако чувствительность JWST показала, что две галактики на самом деле линзируют этот далекий квазар шесть раз, причем более далекая галактика в этом расположении также линзируется более близкой галактикой.
«Обычно гравитационные линзы, созданные одной галактикой, формируют либо два, либо четыре изображения фонового источника, в зависимости от выравнивания. В этом случае наблюдается исключительное выравнивание между двумя галактиками и фоновым квазаром, образуя редкую конфигурацию из шести изображений.

Мы назвали это «зигзагом Эйнштейна», потому что оптический путь двух из нескольких изображений проходит мимо первой галактики с одной стороны, прежде чем отклоняется второй галактикой с другой стороны. Этот оптический путь создает зигзагообразный узор между двумя галактиками».

Руководитель исследования и ученый Лаборатории астрофизики EPFL Фредерик Дюкс рассказал Space.com, что это первый случай, когда ученые обнаружили такое идеальное выравнивание между тремя различными телами, которые создают гравитационную линзу.
«Обычно гравитационная линза включает только два объекта, скажем, галактику, действующую как линза, и другую галактику позади, действующую как источник, свет которой изгибается галактикой переднего плана, — сказал Дюкс. — Конечно, есть много случаев линзирования, происходящего из-за нескольких галактик одновременно, например, в линзах скоплений галактик. В этих случаях эффекты различных дефлекторов объединяются слабым образом. Вы не найдете одну галактику, действующую как идеальная линза сама по себе. Выравнивание просто недостаточно хорошее».

Однако в случае J1721+8842 это не так. 

Ближайшая галактика в этой линзе настолько далека, что ее свет идет к Земле 2,3 миллиарда лет, в то время как свет от более далекой галактики идет к нам уже 10 миллиардов лет. Тем не менее, несмотря на огромное расстояние между этими двумя галактиками, Дюкс сказал, что они обеспечивают такое хорошее выравнивание, что обе содействуют обнаружению света от квазара, расположенного примерно в 11 миллиардах световых лет от нас, в то время как галактика переднего плана также линзирует свет от промежуточной галактики.
«Это редкость. Мы ожидаем, что только один из 50 000 линзированных квазаров будет иметь такую ​​конфигурацию… и мы знаем только около 300 линзированных квазаров в общей сложности, так что нам очень повезло найти этот! — сказал Дюкс. — Мы можем не найти другой еще долгое время, если вообще когда-либо найдем».

Зигзаг Эйнштейна может решить космологический кризис

Дюкс пояснил, что команда уже работает над обновленными моделями J1721+8842 для измерения постоянной Хаббла.

«Большинство линзированных квазаров можно использовать для этой цели, но тот факт, что у этого есть две разные линзы, делает модель линзирования намного более ограниченной, и неопределенность в значении постоянной Хаббла будет меньше, — сказал Дюкс. — Это очень интересно сейчас, когда космология находится в потенциальном кризисе из-за того, что мы называем напряжением Хаббла».

Напряжение Хаббла возникает из-за того, что измерение постоянной Хаббла в очень ранней Вселенной и экстраполяция эволюции этого значения вперед на 13,8 миллиарда лет космической истории (используя лучшую космологическую модель) должны привести к тому же значению, которое астрономы измеряют, наблюдая за локальной Вселенной и, таким образом, измеряя постоянную Хаббла в ее нынешнем возрасте. Однако между двумя результатами существует сильное несоответствие.

«В обоих случаях могут быть ошибки измерений, поэтому, прежде чем объявить о каком-либо кризисе, нам нужно продолжить поиск потенциальных ошибок и уточнить наши измерения», — сказал Дюкс.
Уменьшая неопределенности в этих измерениях, эта зигзагообразная линза Эйнштейна может сблизить полученное значение и наблюдаемое значение постоянной Хаббла.

«Кроме того, эта линза может также использоваться одновременно для ограничения уравнения состояния темной энергии Вселенной, — сказал Дюкс. — Это очень интересно, поскольку эта величина и постоянная Хаббла обычно вырождены, то есть мы можем «двигать обе ручки» в разных направлениях и по-прежнему хорошо соответствовать данным наблюдений. С этой системой мы, возможно, сможем сломать эту вырожденность».
Это позволило бы определять оба значения одновременно с помощью J1721+8842, что обычно невозможно. Исследователь добавил, что это то, что в настоящее время находится в процессе, но необходимо много теоретической работы и разработки технической инфраструктуры, прежде чем команда сможет измерить два значения, которые они хотят изучить, «безопасным» способом, избегая потенциальных предубеждений и ошибок.
«J1721+8842 имеет и другие применения, такие как изучение более далекой линзирующей галактики, — сказал Дюкс. — Поскольку он действует и как линза, и как источник света, отображаясь в виде искаженной красной дуги, мы можем точно определить его массу. У нас также есть прекрасный спектр из наблюдений JWST для изучения истории звездообразования этой галактики и плотности ее материи. Это первый реальный шанс ответить на такие вопросы для галактики, которая находится так далеко».

Хотя JWST сыграл решающую роль в раскрытии истинной природы J1721+8842 как зигзага Эйнштейна, он, возможно, не лучший инструмент для поиска большего количества таких неуловимых конфигураций.

«JWST обеспечивает невероятно глубокие наблюдения за небольшими участками неба. Для открытия большего количества зигзагов Эйнштейна нам нужно осмотреть все небо, — сказал Дюкс. — Gaia и обзоры неба, такие как Pan-STARRS, Euclid или будущий обзор пространства и времени обсерватории Vera Rubin Legacy Survey of Space and Time (LSST), являются правильными инструментами для этого поиска.
«Мы продолжим искать линзированные квазары! Мы ожидаем найти еще много других с помощью LSST Vera Rubin и миссии Euclid. Наткнемся ли мы на еще один зигзаг, будет вопросом удачи».
Исследование команды доступно в виде предварительной печати в репозитории arXiv.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: James Webb Space Telescope spots 1st ‘Einstein zig-zag’ — here’s why scientists are thrilled