В ходе серии наблюдений, о которой рассказывается на страницах мартовского выпуска The Astrophysical Journal, ученые изучали объект, получивший наименование B1608+656. Он был известен астрономам и ранее, однако только сейчас его смогли применить в качестве своеобразного оптического инструмента космических масштабов.

Что это?

Темная материя — во многом загадочная субстанция, которая проявляет себя исключительно за счет гравитации. Недавно появились сообщения о том, что построенный для поисков частиц темной материи детектор дал обнадеживающие результаты.

Что такое B1608+656? Это гравитационная линза. Что-то очень тяжелое (в данном случае речь идет о скоплении темной материи) отклоняет проходящие мимо лучи света так, что при наблюдении со стороны кажется, будто в космосе действительно повисло гигантское увеличительное стекло. На полученных при помощи космического телескопа «Хаббл» снимках видно несколько размытых пятен, которые, как показал анализ, являются изображением одного и того же объекта из галактики, расположенной позади B1608+656.

Группа американских, датских и немецких исследователей сопоставила свет, проходящий через разные места линзы, смогла воссоздать поперечный профиль B1608+656, вычислить расстояние до галактики и, более того, определить так называемую постоянную Хаббла, через которую рассчитывается в том числе и возраст Вселенной.

Все вокруг гравитации

Общая теории относительности, описывающая гравитационное поле. Космология, описывающая эволюцию Вселенной в целом, темную материю и темную энергию. Методы анализа астрономических данных. Все эти области достаточно сложны, и статья ученых, предварительный вариант которой можно найти в архиве препринтов arXiv.org, в итоге занимает 24 страницы, с формулами, графиками и внушительным списком литературы.

Но за этими выкладками кроется фундаментальный процесс: расширение Вселенной. Вселенная в целом, как стало известно ученым еще в первой половине XX века, расширяется. Причем, как показали многочисленные наблюдения, расширяется с ускорением и в буквальном смысле слова «в никуда». Иными словами, галактики не просто разлетаются в разные стороны в пустом пространстве, а раздвигается само пространство: наиболее часто этот процесс ученые иллюстрируют примером воздушного шарика.

Наглядная аналогия

Обозреватель GZT.RU решил не изобретать велосипед и потому просто процитирует слова Сергея Попова, астрофизика из государственного астрономического института им. Штейнберга и автора астрономического портала МГУ astronet.ru: »Представьте себе двумерных существ, двумериков, живущих на поверхности воздушного шарика. Нарисуем на нем галактики и поселим в них этих двумериков. Пусть они могут наблюдать в свои телескопы соседние галактики. Начнем теперь надувать шарик. Каждый двумерик-наблюдатель в своей галактике будет видеть, что другие галактики удаляются от него. Сам же центр расширения на поверхности шарика, т. е. в метагалактике двумериков, отсутствует».

В случае со Вселенной расширяется уже не двухмерная поверхность, а трехмерное пространство — представить это сложно, но после появления общей теории относительности здесь уже не было для физиков ничего необычного. Теория относительности как раз и оперировала понятием искажения пространства-времени (которое еще и четырехмерно). Чтобы описать расширение Вселенной и наблюдаемый процесс разбегания галактик математически, была введена такая величина, как постоянная Хаббла: если ее умножить на расстояние до галактики, то можно сразу получить скорость, с которой она от нас удаляется.

Ваша жилплощадь со временем увеличится, доказано астрофизиками!

Все удаленные от нас объекты со временем отодвигаются на некоторое расстояние из-за расширения Вселенной. Проведенные GZT.RU расчеты показали, что за время написания этой статьи расширение Вселенной привело к увеличению расстояния от компьютера автора до стены комнаты, в которой он работает, на 0,02 диаметра атома водорода. А площадь двухкомнатной квартиры вырастет за несколько десятков лет на величину, достаточную для размещения на ней лишней пылинки — около одной сотой квадратного миллиметра.

Единственное, что и размер всех остальных предметов тоже вырастет – так что воспользоваться приростом жилплощади даже для размещения дополнительной пыли не удастся.

Постоянная Хаббла определяет то, с какой скоростью расширяется Вселенная — а знание этой скорости играет ключевую роль в построении моделей, описывающих наш мир в целом. Понимание того, что Вселенная расширяется с ускорением, привело, например, к открытию темной энергии, пока не очень понятной силы, которая это расширение провоцирует. И чем точнее измерение постоянной Хаббла, тем больше определенность, с которой можно говорить об астрофизических моделях: по этой причине ее стараются измерить со всей возможной точностью.

Самый простой способ измерить расстояние до далеких галактик — это определить их скорость и поделить скорость на расстояние. Но «самый простой» не означает «самый надежный», да и с измерением расстояния тоже есть свои проблемы. Гравитационные линзы, вроде B1608+656, позволяют подойти к задаче с другой стороны, использовав сложный, но весьма точный метод анализа искривленных световых пучков.

Тайна Вселенной под увеличительным стеклом

Чтобы рассмотреть далекие галактики и измерить расстояние до них, астрономы начала прошлого столетия работали с лучшими наземными телескопами. Для изучения гравитационной линзы B1608+656 ученые использовали орбитальный телескоп «Хаббл», его вынесенная за пределы атмосферы Земли оптика обеспечила возможность провести все необходимые измерения.

Их суть, если оставить в стороне все математические детали, сводилась к следующему: свет через линзу идет четырьмя разными путями (так как вместо одной галактики мы видим четыре размытых пятна). Скорость света при этом постоянна, а разница во времени между приходом лучей известна: значит, можно вычислить и расстояние, длину каждого из четырех лучей.

А зная еще и форму линзы, можно для одной галактики получить не одну оценку расстояния, а четыре разных. Что резко повышает точность измерения: по оценкам исследователей, их результат примерно в два раза точнее предыдущих оценок. Значение постоянной Хаббла, полученное астрофизиками, таково, что если галактика удалена от нас на один мегапарсек, то скорость, с которой она будет удаляться, составит 70,6 км/с. Плюс-минус 3,1 км/с, погрешность в несколько процентов для космологических исследований считается очень низкой из-за чрезвычайной сложности измерений. Если из этого определить и возраст Вселенной, то получится что он составляет все те же 13,1 млрд лет, которые ранее насчитывали ученые – дело лишь в том, что сейчас речь идет о намного более точном результате.

Новые оценки скорости расширения Вселенной, конечно, не единственные. Наряду с наблюдением за галактиками (как напрямую, так и через гравитационные линзы) у ученых есть и другие методы — например, анализ реликтового излучения, электромагнитного излучения, возникшего при Большом Взрыве. Или наблюдения за вспышками далеких сверхновых — причем последний метод недавно был пересмотрен в работе российского ученого Марата Гильфанова и его немецкого аспиранта Акоша Богдана.

Инструменты

Для регистрации реликтового излучения весной 2009 года был запущен спутник «Планк». Вместе с ним в точку, удаленную от Земли на полтора миллиона километров, отправился и телескоп «Гершель», крупнейший инфракрасный инструмент.