Гравитационное линзирование

Как масса изгибает свет в кольца, кресты и дуги и позволяет взвесить то, чего мы не видим

Шаг за шагом

Масса изгибает свет

Для Солнца отклонение крошечное. Для целой галактики или скопления галактик оно достаточно велико, чтобы его было видно: масса действует как неровная линза, а свет от чего-то далёкого позади неё может дойти до нас с нескольких направлений. Здесь тёмная точка — это линза (нарисована), а галактика за ней видна дважды.

Выстраивание

Когда галактика позади выстраивается в линию с линзой, её два изображения обходят линзу, растягиваются, становятся ярче и сливаются в кольцо.

Уравнение линзы говорит, откуда свет кажется идущим. Когда источник немного смещён от линии, есть два изображения, по одному с каждой стороны линзы: длинная дуга с дальней стороны и короткая ближе. Чем точнее выстраивание, тем сильнее растягиваются изображения и тем ярче они становятся.

При точном выстраивании два изображения превращаются в полный круг, кольцо Эйнштейна. Его радиус, радиус Эйнштейна, растёт как квадратный корень из массы линзы. Можно попробовать: если провести по картинке пальцем, галактика позади сдвинется за линзой, и изображения последуют за ней.

Крест Эйнштейна

Каждое изображение ярчает и гаснет само по себе, потому что отдельные звёзды линзовой галактики проходят перед ним и линзируют его снова. Астрономы используют это мерцание, чтобы изучать диск квазара, область всего в световые дни шириной, которую ни один телескоп не мог бы увидеть напрямую.

Взвешивание тёмной материи

Команда Клоу изучила его в 2006 году. Розовое свечение — это горячий газ, видимый в рентгене, в нём большая часть обычного вещества; голубое — масса, которую находит линзирование. Оба нарисованы здесь там, где их измерили: масса не там, где газ.

Газ тормозится при столкновении, как два облака дыма. Масса продолжила двигаться вместе с галактиками, будто это нечто, проходящее само через себя. Это одно из лучших свидетельств того, что большая часть вещества тёмная и почти не взаимодействует, и это трудно объяснить одним лишь изменением гравитации.

Звезда, увиденная сквозь время

В 2022 году команда Уэлча нашла Earendel в дуге, «Дуге Восхода», которую скопление растягивает из галактики с красным смещением 6,2. Прямо на линии, где линза сильнее всего, увеличение достигает сотен или тысяч раз, достаточно, чтобы показать одиночную звезду на расстоянии, где иначе не видна ни одна.

Линзирование — собственный телескоп природы, и космический телескоп «Джеймс Уэбб» использует скопления так для своих самых глубоких снимков. Одна ли Earendel звезда или несколько, ещё изучают. На картинке показана точка света, нарисованная на дуге, где её нашли.