Гравитационное линзирование
Линзовая тематика, возникшая в недрах ИРЭ АН УССР, и продолжающаяся и поныне в РИ НАН Украины, со временем вовлекла в свою сферу большое число харьковских, московских, киевских и ленинградских ученых. Резко увеличилось не только количество исследователей и публикаций, но и существенно возросли масштабы исследуемых линз. Ярким примером этой тенденции явились работы по изучению эффекта гравитационной линзы (ГЛ), которые были начаты в ТОРРИ еще в 1973 г., задолго до экспериментального обнаружения в 1979 г. Д. Уолшем, Р. Карсвеллом и Р. Вейманом первой гравитационной линзы – двойного квазара Q 0957+561 A,B. Основу эффекта ГЛ составляет один из классических эффектов ОТО – отклонение лучей света в полях тяготения массивных объектов. В качестве таковых могут выступать планеты, звезды (например, Солнце), скопления звезд – шаровые скопления, галактики или даже целые скопления галактик. Под действием линзового эффекта полей тяготения близлежащих массивных объектов сильно искажается картина заднего фона источников. При этом возможно наблюдение дугообразных, кольцеобразных и множественных изображений одного и того же источника. Другими словами, наблюдаются своеобразные космические “миражи”. Таких “миражей” к настоящему времени обнаружено уже несколько десятков, и их количество с каждым годом “катастрофически” растет, так как к процессу их поиска подключились все без исключения крупнейшие обсерватории мира.
Огромный интерес к ГЛ - эффекту проявляется прежде всего из-за его актуальнейших астрофизических приложений. С помощью линзового эффекта полей тяготения возможно непосредственное определение таких важнейших космологических параметров Вселенной, как постоянная Хаббла, параметр замедления и выявление “темной” (неизлучающей) массы. Из-за отсутствия в бывшем СССР, на период начала работ в ИРЭ по линзовой тематике, инструментов, пригодных для наблюдений ГЛ (разрешающая способность телескопов в оптике и радиодиапазоне должна быть не хуже одной угловой секунды), Павлом Викторовичем и его учеником - аспирантом А.А. Минаковым проводились в основном теоретические исследования, хотя непременным требованием Павла Викторовича всегда было “выход на эксперимент”. В качестве курьезного случая “выхода на эксперимент” можно указать на создание во второй половине 70-х годов “игрушки” – первой в мире лабораторной модели гравитационной линзы, которая в точности воспроизводила отклонение лучей света в поле тяготения Солнца. Демонстрация модели ГЛ приводила в восторг не только харьковских исследователей, но и друзей - коллег радиофизиков, астрофизиков и астрономов из Москвы, Ленинграда, Горького и других регионов бывшего СССР. Основным результатом многолетних исследований П.В. Блиоха и его ученика А.А. Минакова, который с 1999 г. возглавил Отдел космической радиофизики РИ НАНУ, явилась первая в мире монография по ГЛ и еще одна защита в 1993 г. докторской диссертации.
Эффект гравитационной линзы на полях тяготения скопления галактик
Дальнейшим развитием линзовой тематики явились исследования эффекта гравитационного линзирования (ГЛ) на межгалактических масштабах, которые были начаты в ТОРРИ еще в1973 г., задолго до экспериментального обнаружения в1979 г. первой гравитационной линзы – двойного квазара Q0957+561 A,B. В качестве линзирующих объектов могут выступать планеты, звезды, галактики или их скопления. Под действием линзового эффекта полей тяготения близлежащих объектов искажается картина источников заднего фона. При этом возможны наблюдения дуго- и кольце- образных, а также множественных изображений одного и того же удаленного источника.
В настоящее время обнаружено более сотни таких объектов – квазаров, линзированных гравитационными полями галактик и их скоплений. Благодаря развертыванию программ глубоких обзоров неба ежегодно открывается несколько гравитационно линзированных квазаров (ГЛК). Интерес к изучению явления гравитационного линзирования в настоящее время чрезвычайно велик, что объясняется его актуальными астрофизическими приложениями. С его помощью можно исследовать с беспрецедентно высоким угловым разрешением структуру квазаров, изучать состав и свойства населения других галактик, наконец, возможно непосредственное определение таких важнейших космологических параметров Вселенной, как постоянная Хаббла, параметр замедления. В последнее время с изучением явления гравитационного линзирования связывают возможности решение проблемы “темной” (неизлучающей) материи.
Еще в начале 90-х годов ХХ столетия, когда были объединены усилия теоретиков ОКР и наблюдателей из НИИ Астрономии Харьковского национального университета (в те годы он назывался Астрономической обсерваторией ХГУ), появилась возможность дополнить теоретические разработки в области ГЛ наблюдениями реальных объектов, сформированных этим явлением. В 1995 году на 1.5-м телескопе АЗТ-22 на горе Майданак (Узбекистан) были получены первые успешные ПЗС-кадры с изображением ГЛК Q2237+0305 (Крест Эйнштейна).Это удивительно красивый объект, имеющий вид четырех попарно симметричных звездообразных изображений квазара, расположенных вокруг ядра достаточно яркой и протяженной галактики.
Башня 1.5-метрового телескопа АЗТ-22 на горе Майданак (Узбекистан).
Следует отметить, что получение качественных изображений таких интереснейших объектов Вселенной, как ГЛК, – весьма непростая задача. При низкой поверхностной яркости объекты весьма компактны, в связи с чем для их регистрации требуется телескоп достаточно большого диаметра с высококачественной оптикой, установленный в месте с отличным астроклиматом. Таким инструментом (по сути, единственным на территории бывшего Союза), является 1.5-метровый телескоп АЗТ-22, установленный в месте с уникальным астроклиматом, не уступающим известным астропунктам в Чилийском высогогорье.
Первые результаты наблюдений ГЛК Q2237+0305, опубликованные в 1997 году, сразу же привлекли внимание зарубежных исследователей. В этом же году наблюдения на Майданаке были поддержаны программой CRDF (грант UP2-302, 07.01.97-07.01.98, “Searching the substellar masses in other galaxies through monitoring of gravitational lenses”). В 1998 году результаты были доложены на очередном международном симпозиуме в Осло, где получили высокую оценку зарубежных исследователей: был учрежден международный благотворительный фонд «Майданак», за средства которого приобретена новая ПЗС-камера - ST-7 (в то время одна из лучших полупрофессиональных), а также принято решение о разработке и изготовлении специальной современной профессиональной ПЗС-камеры BroCam. Камера была создана в лаборатории Копенгагенской Астрономической обсерватории и осенью 2000 года установлена на телескопе АЗТ-22. Таким образом, с1998 г. программа наблюдения гравитационных линз на горе Майданак приобрела статус международной. Кроме украинских участников – РИ НАНУ и НИИ астрономии ХНУ– в программе приняли участие ГАИШ МГУ (Москва) и Институт Астрономии им. Улугбека (Узбекистан). Исследования проводились в тесном сотрудничестве с Институтом теоретической астрофизики (Норвегия) и Гавард-Смитсонианским астрофизическим центром (США), Принстонским университетом (США), при финансовой поддержке гранта CRDF (1997-1998гг.), и позже – гранта УНТЦ (2005-2006 гг.). С 2007 года исследования гравитационных линз в РИ НАНУ проводятся в рамках целевой программы Национальной академии наук Украины ”Исследования структуры и состава Вселенной, скрытая масса и темная энергия”, (шифр «Космомикрофизика»).
За время, истекшее с момента первых удачных наблюдений системы Крест Эйнштейна, получено свыше 20 тысяч ПЗС-кадров целого ряда гравитационно линзированных квазаров. В их числе, например, такие, как двойные квазары Q0957+561, SBS 1520+530, FBQ 0951+2635, SBS 0909+532, квадрупольно линзированные квазары Q2237+0305, PG 1115+080, (рис. 2), H 1413+117, B 1422+231 и другие.
Основные результаты многолетних теоретических исследований ГЛ в РИ НАНУ опубликованы более чем в 50 научных статьях и двух монографиях: первая в мире монография по ГЛ “Гравитационные линзы” (П.В. Блиох, А.А. Минаков, Киев: Наукова думка, 240с.), опубликованная в 1989 году, и “Статистический анализ гравитационного микролинзирования” (А.А. Минаков, В.Г. Вакулик, Киев: Наукова думка, 2010 г., 262 с.). Анализу различных аспектов гравтационного линзирования посвящена докторская диссертация А.А. Минакова (1993 г.) и кандидатская Л.А.Бердиной (2012 г.).
Изображения некоторых гравитационно линзированных квазаров. АЗТ-22, г.Майданак. Слева направо: SDSS 1002+ , PG 1115+080, Q2237+0305, H 1413+117.