В космосе найден первый "зигзаг Эйнштейна": почему это важно для человечества и науки

Космический телескоп "Джеймс Уэбб" помог ученым обнаружить первый "зигзаг Эйнштейна". Это один космический объект, квазар, повторяющийся шесть раз через гравитационную линзу. Эффект имеет название из-за того, что термин "гравитационной линзы" впервые предложил Альберт Эйнштейн в 1915 году.

Почему это важное открытие и кто его автор – рассказывает 24 Канал, исследовав материал Space.com.

К теме Тишина в космосе: почему человечество до сих пор не нашло разумных инопланетных цивилизаций

Что известно о зигзаге Эйнштейна

Система, имеющая обозначение J1721+8842, состоит из квазара – чрезвычайно яркого галактического ядра – линзованного двумя галактиками. Это невероятно редкое открытие, образец интересного явления искривления пространства-времени, описанного в теории относительности Альберта Эйнштейна.

Первый зигзаг Эйнштейна, который увидело человечество, может помочь ученым раскрыть две величайшие тайны космологии. Первая загадка связана с природой темной энергии, или силой, побуждающей к ускоренному расширению Вселенной, на которую приходится примерно 70% космической энергии и материи. Вторая же связана с несоответствием, которое ученые обнаруживают во время измерения значения скорости расширения Вселенной, она называется постоянная Хаббла.

Я в восторге не только потому, что это захватывающее природное явление, но и потому, что эта система является невероятно перспективной для измерения космологических параметров. Эта система линз имеет потенциал для установления лимитов как для постоянной Хаббла, так и для уравнения состояния темной энергии, что было невозможным ранее,
– говорит Мартин Миллон, один из авторов открытия и космолог Стэнфордского университета.

Что такое гравитационная линза

Согласно общей теории относительности, массивные объекты вызывают искривления в самой ткани пространства-времени, которое объединено в единую сущность. Чем больше масса объекта, тем больше искривление – своеобразная "вмятина", которую он создает в пространстве-времени. Именно из-за этого искривления возникает гравитация: более массивные объекты имеют более сильное гравитационное воздействие.

Как устроена гравитационная линза / NASA, ESA & L. Calçada

Гравитационное линзирование происходит, когда свет от далекого объекта проходит мимо массивного объекта, который выполняет роль линзы. Он искривляется, огибая массивное тело по разным траекториям. В результате свет, происходящий от одного источника, может достигать телескопа с разных направлений и в разное время.

Это создает эффект, когда один объект появляется в нескольких местах на изображении. Так возникают такие феномены, как "кольца Эйнштейна", "кресты Эйнштейна" и, в случае с квазаром J1721+8842, "зигзаг Эйнштейна".

Обычно гравитационные линзы, созданные одной галактикой, формируют два или четыре изображения источника, в зависимости от выравнивания. В этом случае есть уникальное выравнивание двух галактик и далекого квазара, что образует редкую конфигурацию из шести изображений,
– объяснил Миллон.

Эта конфигурация получила название "зигзаг Эйнштейна", поскольку траектория двух изображений огибает первую галактику с одной стороны, а затем отклоняется второй галактикой с другой, образуя зигзагообразный рисунок. Это открытие не только демонстрирует исключительную красоту космоса, но и помогает изучать фундаментальные законы физики, такие как расширение Вселенной и природа темной энергии.

Ведущий автор исследования, ученый из лаборатории астрофизики Федеральной политехнической школы Лозанны Фредерик Дюкс отметил, что это первый случай, когда ученые зафиксировали настолько идеальное выравнивание трех различных объектов, которые вместе создают гравитационную линзу.

Обычно гравитационная линза включает только два объекта – например, галактику, которая действует как линза, и другую галактику за ней, свет которой искривляется передней. Безусловно, есть примеры линзирования, возникающие благодаря взаимодействию нескольких галактик одновременно, как это происходит в кластерах галактик. Но в таких случаях эффекты разных объектов сочетаются слабо. Одиночная галактика, выступающая идеальной линзой, – это очень редкое явление, ведь их выравнивание обычно недостаточно точное,
– объяснил Дюкс.

Однако случай с J1721+8842 оказался исключительным.

Ближайшая галактика, которая образует эту линзу, расположена на таком расстоянии, что ее свет путешествовал до Земли 2,3 миллиарда лет. А свет от дальней галактики летел к нам целых 10 миллиардов лет.

Несмотря на огромное расстояние между этими двумя галактиками, по словам Дюкса, они создают настолько идеальное выравнивание, что обе одновременно преломляют свет от источника квазара, расположенного примерно в 11 миллиардах световых лет. Более того, более близкая галактика также линзирует свет от промежуточной галактики.

Квазар J1721+8842 / Наблюдение Фредерика Дюкса

"Это чрезвычайно редкое явление. Мы предполагаем, что только один из 50 тысяч линзованных квазаров мог бы иметь такую конфигурацию... А поскольку нам известно лишь об около 300 таких квазарах, нам очень повезло найти этот! Вполне возможно, что мы больше никогда не найдем подобный объект", – говорит Дюкс.

Как "зигзаг Эйнштейна" может помочь разрешить космологический кризис

Фредерик Дюкс поделился, что его команда уже работает над обновленными моделями системы J1721+8842 для измерения постоянной Хаббла.

Большинство линзованных квазаров можно использовать для этого, но тот факт, что эта система имеет две разные линзы, значительно улучшает точность модели, а следовательно, уменьшает неопределенность значения постоянной Хаббла. Это очень важно в то время, когда космология сталкивается с возможным кризисом из-за так называемого напряжения Хаббла,
– пояснил ученый.

Напряжение Хаббла возникает из-за того, что измерения постоянной Хаббла в ранней Вселенной и экстраполяция ее эволюции на 13,8 миллиарда лет должны совпадать с измерениями в локальной Вселенной. Однако эти два значения заметно различаются.

"Конечно, расхождения могут быть следствием ошибок в измерениях. Поэтому, прежде чем объявлять кризис, нам нужно искать потенциальные ошибки и совершенствовать методологию," – добавил Дюкс.

Этот уникальный зигзагообразный объект может помочь уменьшить неопределенность измерений и сблизить значения постоянной Хаббла, полученные разными методами. Более того, система J1721+8842 может также помочь уточнить уравнение состояния темной энергии Вселенной.

Это важно, поскольку эта величина и постоянная Хаббла обычно решаются вместе, что создает так называемую вырожденность. Это означает, что обе характеристики можно подстраивать в разных направлениях, оставаясь в пределах данных. Но благодаря этой системе мы, возможно, сможем разделить эти параметры,
– отметил ученый.

По словам ученого, это станет прорывом, ведь одновременное точное определение этих двух значений – задача, которое обычно невозможно реализовать. Хотя работа в этом направлении уже продолжается, она требует значительной теоретической подготовки и развития технической инфраструктуры, чтобы избежать погрешностей.

Кроме того, J1721+8842 позволяет изучать более удаленную галактику, которая также выступает и линзой, и источником света. Благодаря этому ученые могут точно определить ее массу, исследовать историю формирования звезд и распределение материи. "Это первая реальная возможность ответить на такие вопросы для галактики на таком огромном расстоянии," – подытожил Дюкс.

Хотя телескоп "Джеймс Уэбб" сыграл ключевую роль в открытии истинной природы J1721+8842, он не является оптимальным инструментом для поиска подобных систем.

"JWST обеспечивает чрезвычайно глубокие наблюдения для небольших участков неба. Но для поиска таких объектов, как "зигзаг Эйнштейна", нам нужны масштабные обзоры всего неба, – заметил Дюкс. – Такие миссии, как Gaia, Pan-STARRS, Euclid или будущий обзор LSST в обсерватории Веры Рубин, лучше подходят для таких задач. Мы продолжим искать линзованные квазары и, возможно, снова найдем что-то столь же уникальное. Но это будет вопросом удачи".