Космический телескоп Джеймса Уэбба обнаружил первый «зигзаг Эйнштейна» — почему учёные в восторге

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба астрономы обнаружили первый «зигзаг Эйнштейна» — изображение одного квазара, повторяющееся шесть раз на одном снимке. Такое расположение было создано благодаря эффекту, впервые предложенному Альбертом Эйнштейном в 1915 году под названием «гравитационное линзирование», и это может помочь учёным предотвратить кризис в космологии.

Эта система, получившая обозначение J1721+8842, состоит из квазара — чрезвычайно светлого галактического ядра, — линзированного двумя широко разделёнными, но идеально выровненными галактиками. Это не только невероятно редкое явление, представляющее собой захватывающий пример любопытного феномена искривления пространства и времени, введённого в общую теорию относительности Альберта Эйнштейна. Зигзаг J1721+8842 обладает мощностью усиления, которой нет у стандартных гравитационных линз.

Первый зигзаг Эйнштейна, увиденный человечеством, может помочь учёным разгадать две величайшие тайны космологии. Первая загадка касается природы тёмной энергии, или силы, работающей на ускоряющееся расширение Вселенной. На неё приходится около 70% космического бюджета энергии и материи. Вторая связана с несоответствием, которое учёные обнаружили при измерении скорости расширения Вселенной: постоянной Хаббла.

«Я в восторге 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 группы исследователей и космолог из Стэнфордского университета. «Эта система линз позволяет наложить жёсткие ограничения как на постоянную Хаббла, так и на уравнение состояния тёмной энергии, что обычно невозможно».

Что же такое гравитационная линза?

Общая теория относительности утверждает, что объекты с массой вызывают искривление самой ткани пространства и времени, объединённых в единую сущность под названием «пространство-время». Чем больше масса объекта, тем большее искривление он вызывает в пространстве-времени. Поскольку гравитация возникает из-за этого искривления, то чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное воздействие.

Гравитационное линзирование возникает, когда свет от фонового источника проходит мимо массивного линзирующего тела на пути к Земле и, следуя за возникающим искривлением пространства, идёт по искривлённому пути. Таким образом, свет от этого фонового источника проходит разные пути вокруг гравитационной линзы, приближаясь к линзирующему телу на разное расстояние и искривляясь в разной степени. Это означает, что свет от одного и того же фонового источника может приходить в один и тот же телескоп в разное время.

В результате одно фоновое светоизлучающее тело может появиться в нескольких местах на одном изображении. Эти объекты могут образовывать такие фигуры, как кольца Эйнштейна, кресты Эйнштейна и, в данном уникальном случае, зигзаг Эйнштейна.

На самом деле «Уэбб» не был первым телескопом, обнаружившим J1721+8842. Линзированный квазар, который, точнее, состоит из ярко светящегося газа и пыли вокруг питающей его сверхмассивной чёрной дыры, был замечен Камероном Лемоном в 2017 году с помощью Панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования (Pan-STARRS), расположенного в обсерватории Халеакала на Гавайях.

Сначала казалось, что квазар линзируется всего четыре раза. Однако чувствительность «Уэбба» позволила рассмотреть, что на самом деле две галактики линзируют этот далёкий квазар шесть раз, причём более удалённая галактика в этом случае также линзируется более близкой галактикой.

«Обычно гравитационные линзы, создаваемые одной галактикой, формируют два или четыре изображения фонового источника, в зависимости от их взаимного расположения. В данном случае наблюдается исключительное выравнивание между двумя галактиками и фоновым квазаром, образуя редкую конфигурацию из шести изображений. Мы назвали её “зигзагом Эйнштейна”, потому что оптический путь двух из нескольких изображений проходит мимо первой галактики с одной стороны, а затем отклоняется второй галактикой с другой стороны. Этот оптический путь создаёт зигзагообразный узор между двумя галактиками».

Ведущий автор исследования и научный сотрудник Лаборатории астрофизики EPFL Фредерик Дукс рассказал Space.com, что учёные впервые обнаружили такое идеальное выравнивание между тремя различными телами, которые создают гравитационную линзу.

«Обычно в гравитационной линзе участвуют только два объекта, скажем, галактика, выступающая в роли линзы, и другая галактика позади, выступающая в роли источника, свет которого отклоняется передним планом», — сказал Дюкс. «Конечно, существует множество случаев, когда линзирование происходит из-за нескольких галактик одновременно, например, в линзах галактических скоплений. В этих случаях эффекты различных отклоняющих факторов сочетаются не очень удачно. Одиночная галактика сама по себе не может служить идеальной линзой. Просто выравнивание недостаточно хорошее».

Однако в случае с J1721+8842 дело обстоит иначе.

Ближайшая галактика в этой линзе настолько далека, что её свет добирается до Земли уже 2,3 миллиарда лет, а свет от более далёкой галактики добирается до нас уже 10 миллиардов лет. Однако, несмотря на огромное расстояние между этими двумя галактиками, по словам Дукса, они настолько хорошо выровнены, что обе влияют на свет от источника, квазара, находящегося на расстоянии около 11 миллиардов световых лет, а галактика переднего плана ещё и отклоняет свет от промежуточной галактики.

«Это большая редкость. Мы ожидаем, что такая конфигурация будет у одного из 50 000 линзированных квазаров… а всего нам известно около 300 линзированных квазаров, так что нам очень повезло, что мы нашли именно этот!» сказал Дукс. «Возможно, мы не найдём ещё один такой случай в течение долгого времени, если вообще найдём».

Зигзаг Эйнштейна может дать ответ на загадку космологического кризиса

Дукс пояснил, что команда уже работает над обновлёнными моделями J1721+8842, чтобы измерить постоянную Хаббла.

«Большинство линзированных квазаров можно использовать для этой цели, но тот факт, что у этого квазара две разные линзы, делает модель линзирования гораздо более строгой, и неопределённость в значении постоянной Хаббла будет меньше», — сказал Дукс. Это очень интересно в то время, когда космология переживает потенциальный кризис из-за того, что мы называем «хаббловской напряжённостью».

Хаббловская напряжённость возникает из-за того, что измерение постоянной Хаббла в самой ранней Вселенной и экстраполяция эволюции этого значения на 13,8 миллиарда лет космической истории (с использованием наилучшей космологической модели) должны привести к тому же значению, которое астрономы измеряют при наблюдении локальной Вселенной, то есть, в текущий момент. Однако между этими двумя результатами существует сильное расхождение.

«Прежде чем объявить об окончательном кризисе, мы должны продолжить поиски потенциальных ошибок и усовершенствовать наши измерения», — говорит Дукс. Уменьшая погрешности в этих измерениях, эта зигзагообразная линза Эйнштейна может сблизить полученное и наблюдаемое значение постоянной Хаббла. Диаграмма, показывающая, где на новом изображении находится каждый экземпляр квазара.

«Кроме того, эту линзу можно одновременно использовать для ограничения уравнения состояния тёмной энергии Вселенной», — говорит Дукс. Это очень интересно, поскольку эта величина и постоянная Хаббла обычно вырождены, то есть мы можем «двигать обе ручки» в разных направлениях и при этом хорошо соответствовать данным наблюдений. С помощью этой системы мы, возможно, сможем преодолеть это вырождение».

Это позволит определить обе величины одновременно с помощью J1721+8842, что обычно невозможно. Исследователь добавил, что в настоящее время работа в этом направлении продолжается, но необходимо провести большую теоретическую работу и создать техническую инфраструктуру, прежде чем команда сможет измерять две величины, которые они хотят изучить, «безопасным» способом, избегая возможных погрешностей и ошибок.

«J1721+8842 имеет и другие применения, например, для изучения более удалённой галактики-линзы», — говорит Дукс. «Поскольку она выступает и как линза, и как источник света, появляясь в виде искажённой красной дуги, мы можем точно определить её массу. Кроме того, у нас есть прекрасный спектр, полученный в результате наблюдений «Уэбба», чтобы изучить историю звёздообразования в этой галактике и плотность её материи. Это первый реальный шанс ответить на подобные вопросы для такой далёкой галактики».

Хотя «Уэбб» сыграл важную роль в обнаружении истинной природы J1721+8842 как зигзага Эйнштейна, он может оказаться не самым лучшим инструментом для поиска других таких редких образований.

««Уэбб» обеспечивает безумно глубокие наблюдения за небольшими участками неба. Чтобы обнаружить больше зигзагов Эйнштейна, нам нужно обследовать всё небо», — говорит Дукс. Gaia и обзоры неба, такие как Pan-STARRS, Euclid или будущий обзор пространства и времени обсерватории имени Веры Рубин (LSST), являются подходящими инструментами для этого поиска».

«Мы будем продолжать искать линзированные квазары! Мы ожидаем, что с помощью LSST имени Веры Рубин и миссии «Евклид» найдём ещё много других. Наткнёмся ли мы на ещё один зигзаг, будет зависеть от удачи».