Музыка сфер. Астрономия и математика - Рос Роза Мария
Наблюдения за астрономическими часами, описанными Галилеем, начал Джованни Доменико Кассини из Парижской обсерватории. Однако при уточнении результатов наблюдений возникли некоторые трудности. Временной интервал между двумя затмениями отличался примерно на 15 минут. Молодой датский учёный Рёмер, ассистент Кассини, объяснил, что свет достигает Земли за разное время в зависимости от её положения на орбите, так как Земля не всегда находится на одном и том же расстоянии от Юпитера. Одновременно с этим Рёмер вывел метод измерения скорости света.
Согласно ньютоновским законам тяготения, сила притяжения Солнца может вызывать отклонение лучей света далёких звёзд. Величина этого отклонения составляла 0,875 секунды дуги. Однако согласно теории относительности Эйнштейна отклонение было в два раза больше, и это подтвердил сэр Артур Стэнли Эддингтон, измерив отклонение лучей во время солнечного затмения в мае 1919 года: он получил результат, равный 1,98 секунды дуги. С ещё большей точностью подтвердило теорию Эйнштейна затмение квазара Солнцем в 1987 году, во время которого с помощью интерферометрии было измерено отклонение лучей квазара. Теория относительности была подтверждена с погрешностью в 0,1 %.
Если рассматривать термин «затмение» в более общем смысле, как «перекрытие», то можно утверждать, что эти явления играют важную роль в научных исследованиях. Один из способов обнаружить во Вселенной небесные тела, в частности коричневые карлики, которые излучают слишком тусклый свет, чтобы его можно было увидеть, заключается в использовании эффекта микролинзы, наблюдаемого в момент, когда перед коричневым карликом проходит другая звезда. Свет карликовой звезды отклоняется и фокусируется на оптической оси гравитационной линзы.
В результате в течение короткого промежутка времени наблюдается яркая вспышка, по которой и можно обнаружить звезду. Галактики и скопления галактик, имеющие огромную массу, искривляют свет других небесных тел. С 1979 года, когда была обнаружена первая гравитационная линза, эти объекты остаются предметом множества исследований.
В 1912 году Эйнштейн в одной из заметок предсказал этот эффект, однако не опубликовал его, сочтя малозначимым. Один из друзей учёного напоминал ему об этом эффекте снова и снова, и в 1936 году Эйнштейн наконец-то опубликовал свою заметку, чтобы «порадовать бедного мальчика», а сегодня гравитационные линзы являются одним из важных методов астрономических исследований.
Гравитационные линзы: не затемняют, а увеличивают
В действительности Эйнштейн предсказал существование гравитационных линз, то есть явления, при котором звезда, расположенная ближе к нам, способна увеличивать изображение более далёкой звезды. Однако сам учёный не верил, что гравитационные линзы когда-либо можно будет увидеть, и счёл эту гипотезу слишком маловероятной. Современные астрономы с помощью гравитационных линз наблюдают за далёкими уголками Вселенной. Сам космос даёт им в руки мощнейшие телескопы, которые позволяют заглянуть очень далеко в пространство и время. Изучение гравитационных линз всё ещё можно считать относительно молодым разделом астрономии.
Свет всегда распространяется по кратчайшему пути, однако в присутствии больших масс пространство искривляется, и этим кратчайшим путём становится кривая.
Понять это явление не так сложно, достаточно провести параллель с поверхностью земного шара, где кратчайшим путём между двумя точками обязательно будет отрезок кривой.
В общем случае гравитационные линзы можно представить как обычные линзы с тем отличием, что отклонение света вызвано их массой, а не преломлением лучей. Обычная выпуклая линза имеет чётко определённый фокус, а гравитационная линза фокусирует свет не в точке, а в некоторой области.
* * *ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА СВЕТА, ВЫЗВАННОЕ КРИВИЗНОЙ ПРОСТРАНСТВА
Смоделировать искривление пространства, вызванное чёрной дырой, очень просто. Нам понадобится эластичная ткань, в центр которой мы поместим тяжёлый шар. Если теперь мы бросим на поверхность ткани мяч поменьше, он будет двигаться вдоль кривой, подобно лучу света, который также будет двигаться не по прямой, а по кривой, как показано на рисунке. Степень отклонения от прямолинейной траектории зависит от того, насколько близко свет проходит от массивного тела в центре. Угол отклонения прямо пропорционален массе центрального тела и обратно пропорционален расстоянию до него.
* * *Гравитационные линзы, по сути, искривляют лучи света. В результате нам кажется, что небесные тела находятся в другом месте и имеют больший размер, чем на самом деле. Так как гравитационные линзы не фокусируют лучи в одной точке, наблюдаемые небесные тела искажаются.
В результате отклонения лучей света может показаться, что звезда, галактика или квазар располагаются вовсе не там, где они находятся на самом деле. Также гравитационная линза может изменять размеры объектов. Некоторые наблюдатели отмечают увеличение реальных объектов более чем в 100 раз.
Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект может отображаться в них несколько раз, что можно видеть на иллюстрации на следующей странице. Хорошо известны множественные изображения квазаров, имеющие форму так называемого креста Эйнштейна.
Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект в них может отображаться несколько раз. На фото выше изображён кратный квазар, известный как крест Эйнштейна.
* * *ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА НА НОЖКЕ БОКАЛА
Чтобы смоделировать гравитационную линзу, достаточно отломить ножку бокала и посмотреть сквозь её плоскую часть. Если мы поставим бокал на миллиметровую бумагу, то увидим те же искажения, что и на фотографии.
Будем медленно двигать бокал справа налево по поверхности какого-либо предмета, который послужит моделью небесного тела, и воссоздадим наблюдаемые объекты: дуги, крест Эйнштейна и кольцо Эйнштейна, как показано на фотографиях на следующей странице.
Мы также можем смоделировать эти искажения с помощью бокала для вина, на который будем смотреть сверху. Чтобы увидеть кольцо Эйнштейна или кратные изображения объектов, можно использовать светодиодную лампу, расположенную с другой стороны бокала так, чтобы луч проходил через него. Перемещая бокал справа налево и сверху вниз, вы увидите, как будут возникать повторяющиеся изображения, в некоторых случаях — дуги. Они возникают вследствие того, что бокал, подобно линзе, искривляет пространство. В частности, вы сможете увидеть бесформенную фигуру, четыре точки вместо одной или дугу между точками.
* * * Как заглянуть вперёд в пространство и время
В астрономии, помимо парсеков и астрономических единиц, также используются световые года. Понять смысл этой единицы измерения очень просто, поэтому она крайне полезна в научно-популярных целях. Кроме того, она отражает удивительный факт: глядя на звёздное небо, мы видим множество небесных тел такими, как они выглядели когда-то в прошлом. Кроме того, мы видим астрономические объекты из разных эпох.
