Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Нетривиальное влияние этого поля можно проиллюстрировать и другими примерами. Всем известно, что внутри проводников напряженность электростатического поля равна нулю. На самом деле правильная формулировка этого утверждения содержит оговорку об отсутствии гравитационных и инерционных сил. Если проводник находится в гравитационном поле Земли, то в нем возникает очень слабое электростатическое поле, направленное сверху вниз и имеющее напряженность gme/e, где me и e – соответственно масса и заряд электрона, а g – ускорение свободного падения. Благодаря этому полю свободные электроны внутри проводника не падают вниз с ускорением свободного падения.

4.2.7. Гравитационное линзирование

Еще одно свидетельство существования темной материи – так называемое гравитационное линзирование. Массивные объекты не только притягивают к себе окружающие тела, но и отклоняют лучи света, проходящие рядом. Если свет проходит на расстоянии r от звезды массой M, его угол отклонения, измеренный в радианах, равен φ = 4GM/c2r. Эта величина получена в рамках ОТО, аналогичный угол, полученный в рамках ньютоновской механики, будет вдвое меньше. Правда, в учебниках по физике обычно не пишут о том, что в ньютоновской механике притягиваются также и безмассовые частицы. Дело в том, что безмассовые частицы не имеют массы покоя, но имеют динамическую массу, которую можно определить по формуле E = mc2. Двукратное отличие между предсказаниями ньютоновской механики и ОТО связано с тем, что безмассовые частицы обязаны двигаться со скоростью света, когда плохо работает ньютоновская механика. Причину именно двукратного отличия мы объяснили в подразделе 1.3.2. Угол отклонения света стал первым предсказанием ОТО, проверенным экспериментально. Во время полного солнечного затмения 1919 г. экспедиция Эддингтона подтвердила предсказания ОТО о том, что луч света, проходящий мимо края диска Солнца, отклоняется на 1,75˝.

Если бы свет распространялся прямолинейно, мы бы видели далекие астрономические объекты в определенных положениях на небе. Но из-за искривления световых лучей в гравитационном поле мы видим их немного смещенными. Это и называется гравитационным линзированием, поскольку в этом случае гравитационное поле выступает в роли своеобразной линзы. Различают несколько типов гравитационного линзирования. На рис. 4.7 показана схема сильного гравитационного линзирования. В этом случае свет, отклоняясь в гравитационного поле массивного объекта, находящегося между источником и наблюдателем, достигает наблюдателя несколькими путями. Наблюдатель, не знакомый с гравитационным линзированием, продлив по прямой пришедшие к нему лучи света, мог бы прийти к неправильному выводу о том, что видит несколько разных объектов. Но они обладают свойствами, которые позволяют доказать, что это – один и тот же объект. Объекты находятся на одном и том же удалении от наблюдателя, а их кривые блеска, т. е. зависимость светимости от времени, повторяют друг друга с некоторым временным сдвигом.

Первая гравитационная линза, которую астрономы так и называют – «Первая линза», была открыта в 1979 г. Деннисом Велшем, Робертом Каршвеллем и Рэйем Вэйменем. Это был линзированный квазар Q0957+561, выглядящий на небе как два квазара, которые находились на угловом расстоянии 6˝ друг от друга. Эти квазары имели одинаковое красное смещение z = l,41, а также идентичные спектральные характеристики (профили спектральных линий, отношения потоков в разных областях спектра и др.). Роль линзы в системе играет находящаяся перед квазаром галактика YGKOW G1 с красным смещением z = 0,36.

Сейчас известны десятки гравитационных линз, дающих в основном двойное изображение. Однако встречаются и гравитационные линзы, дающие четыре изображения, например линза «Крест Эйнштейна», открытая в 1985 г., и «Лист клевера», открытая за год до этого. Особый случай представляет недавно обнаруженная SN Refsdal, которая является единственной известной гравитационно линзированной сверхновой. Это поистине уникальное сочетание двух очень редких классов объектов: сверхновых и гравитационных линз. Она был впервые обнаружена в конце 2014 г. как гравитационная линза с четырьмя изображениями, расположенными крестообразно, и вскоре после этого исчезла. Затем она во второй раз появилась на том же месте через год. Это позволило впервые непосредственно измерить разность во временах распространения света по двум различным путям, что является важным достижением. Существует также единственная известная гравитационная линза CLASS B1359 + 154, дающая шесть изображений одного объекта. Обнаруженная в 2000 г., она имеет экстремально большое красное смещение 3,325.