Гравитационные линзы [Павел Викторович Блиох] (pdf) читать онлайн
Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!
[Настройки текста] [Cбросить фильтры]
ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ
КОСМОНАВТИКА,
АСТРОНОМИЯ
1/1990
Издается ежемесячно с 1971 г.
П. В. Блиох,
А. А. Минаков
ГРАВИТАЦИОННЫЕ
ЛИНЗЫ
В
приложении
этого
НОВОСТИ АСТРОНОЛ1ИИ
Издательство «Знание» Москва 1990
номера:
ББК 22.6
Б69
Редактур: ВИРКО И. Г.
Б 69
Блиох П. В., Минаков Л. А.
Гравитационные линзы. — М.: Знание, 1990. —
64 с., ил. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер.
«Космонавтика, астрономия»; № 1),
18В1Х1 5-07-001197-9
15 к.
В брошюре рассказывается об истории открытия нового астрономиасского явления — гравитационных линз, о том, какие линзы об
наружены к настоящему времени и как это явление используется в
современной астрофизике для изучения свойств далеких космических
объектов (квазаров, галактик).
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся
актуальными проблемами познания Вселённой.
1605000000
18В\ 5-07-001 197-9
ББК 22.0
© Блиох П. В., Минаков А. А., 1990 г.
ВВЕДЕНИЕ
В 1989 г. мировое астрономическое сообщество от
метило своеобразный юбилей — 10 лет со дня открытия
первой гравитационной линзы. Вторая половина XX в.
оказалась весьма удачной для астрономов. В 1960 г. бы
ли открыты квазары — самые далекие и мощные кос
мические источники. Спустя всего семь лет (в 1967 г.)
обнаружили пульсирующие источники-пульсары с уди
вительно постоянными периодами следования импульсов
(вначале даже показалось, что наконец-то приняты сиг
налы от внеземных цивилизаций). Еще один небольшой
перерыв, как будто бы нарочно спланированный для то
го, чтобы астрономы могли прийти в себя, и в 1979 г. но
вая сенсация — обнаружена гравитационная линза!
Внешне этот объект выглядит более чем скромно.
Он предстал перед наблюдателями в виде двух слабых
голубоватых звездочек в созвездии Большой Медведи
цы. Интересно, что фотографии этих звездочек были по
лучены еще в 1950 г. (невооруженным глазом они не
видны), но их удивительные свойства обнаружили толь
ко в 1979 г., когда удалось провести спектральный ана
лиз их излучения. Спектры двух источников оказались
настолько неправдоподобно совпадающими друг с дру
гом, что было высказано предположение о том, что на
самом деле здесь наблюдается двойное изображение од
ного и того же источника, своего рода «космический мира'ж». О земных миражах, с которыми встречается пу
тешественник в морях и пустынях, знает каждый. Из
вестно, что они возникают довольно часто. «Космические
миражи» — явление очень редкое и до 1979 г. никогда
не отмечалось. Открытие первой гравитационной линзы
стимулировало целенаправленные поиски других линз,
которые и были вскоре обнаружены. К моменту напи
сания этой книги уже известны 17 объектов с проявле
ниями линзового эффекта сил тяготения.
3
По почему астрономическое сообщество столь живо
отреагировало на открытие гравитационной линзы? Ведь
в том, что они должны существовать, никто не сомне
вался, потому что искривление лучей света в поле тя
жести, предсказанное А. Эйнштейном, было эксперимен
тально подтверждено еще в 1919 г. А. Эддингтоном, а
это явление и составляет физическую основу действия
гравитационной линзы. Дело в том, что обнаружить про
явления линзового эффекта не так-то просто. Открытие
1979 г. было подготовлено непрерывным совершенство
ванием техники наблюдений, благодаря чему границы
видимой части Вселенной все время расширялись. Ыо
чем дальше расположен наблюдаемый источник, тем
вероятнее, что на пути к Земле его излучение подверг
нется действию сил тяготения близких небесных тел. Бо
лее того, на самом деле астрономы «смотрят» в глуби
ны Вселенной только сквозь пронизывающие все про
странство гравитационные поля звезд, галактик, скопле
ний галактик и, возможно, еще не открытых космиче
ских объектов. По мере совершенствования астрономиче
ских инструментов и расширения диапазона длин волн,
на которых ведутся наблюдения, учет гравитационной
фокусировки (или дефокусировки) становится все бо
лее необходимым.
Но это еще не все. История развития науки и тех
ники показывает, что вновь открытое явление по мере
его изучения само постепенно превращается в «инстру
мент», с помощью которого делаются новые открытия.
В данном случае можно сказать, что мы имеем дело с
гигантскими «телескопами», созданными самой приро
дой, и будет очень досадно, если мы не сумеем ими вос
пользоваться. Не меньший интерес представляет изуче
ние и самих «линз», потому что значительная (а скорее
всего, даже большая) часть материи во Вселенной на
ходится в ненаблюдаемой форме, поскольку она нс из
лучает электромагнитные волны. Однако гравитацион
ные поля, создаваемые «скрытой массой», могут быть
обнаружены и исследованы по тем изменениям, которые
претерпевает излучение далеких источников, проходя
сквозь «линзу». Обо всем этом рассказывается в дан
ной брошюре.
4
СВЕТ И РАДИОВОЛНЫ
ТОЖЕ ПОДЧИНЯЮТСЯ ЗАКОНУ
ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ
За 300 лет, прошедших со времен И. Ньютона, закон
всемирного тяготения стал настолько привычным, что
утверждение «Все тела притягиваются друг к другу»
иногда приводят как пример тривиальной истины. Не
столь известно, что в число «тел», на которые дейст
вует сила тяжести, входят и «частицы света» — фотоны.
Поэтому световой луч, проходя вблизи небесного тела,
немного искривляется. Поток первоначально параллель
ных лучей, обтекающих центр притяжения со всех сто
рон, после преломления в гравитационном поле превра
щается в поток сходящихся лучей. На некотором рас
стоянии от притягивающего тела лучи пересекаются,
подобно тому, как это происходит в обычной собиратель
ной линзе. Так возникает эффект гравитационной лин
зы (ГЛ).
Фокусировку света и радиоволн в полях тяготения
удалось наблюдать совсем недавно (в 1979 г.), но исто
рия ГЛ началась значительно раньше. О том, как воз
никла идея о возможности существования ГЛ и какие
драматические события связаны с фундаментальным ут
верждением о преломлении световых лучей в поле тяже
сти. следует рассказать более подробно. Мы начнем с
1938 г., когда в шестом номере журнала «Природа» по
явилась статья известного советского астронома Г. А.
Тихона под названием «Следствия возможного откло
нения световых лучей в поле тяготения звезд». В ней
полностью описана ГЛ, хотя сам термин автором не ис
пользовался. Касаясь истории вопроса, Г. А. Тихов пи
сал: «Летом 1935 г. мне пришла мысль исследовать во
прос об отклонении лучей в поле тяготения звезд...
К концу 1935 г. я уже сделал значительную часть ра
боты и в январе 1936 г. прочитал об этом доклады
в Ленинграде и Пулкове. Впоследствии оказалось, что
начиная с того же 1935 г. этим вопросом занимались
еще несколько ученых, в числе которых находился и сам
Эйнштейн». Действительно, примерно в то же время в
1936 г. в американском журнале «Сайенс» появилась за
метка А. Эйнштейна «Линзоподобиое действие звезды
при отклонении света в гравитационном поле». Нередко
на эту статью ссылаются как на первую работу по гра
витационной фокусировке, хотя на самом деле извест
ны и более ранние публикации. Об одной из них, при
надлежащей русскому физику О. Д. Хвольсоиу (1924 г.),
упоминается в той же статье Г. А. Тихона. По и эта ра
бота не была самой первой. О некоторых оптических
эффектах, которые должны наблюдаться при прохожде
нии света в поле тяготения звезды, говорилось еще
раньше в статьях английских астрономов О. Лоджа
(1919 г.) и А. Эддингтона (1920 г.). Правда, Лодж воз
ражал против самого термина «линза», а Эддингтон,
хотя и указал на возможность появления двух изобра
жений одной звезды, сделал неправильные выводы об
уменьшении их яркости (на самом деле за счет фокуси
ровки яркость изображений может и возрастать). Тем
не менее имена этих ученых, конечно, должны быть
включены в список первопредсказатслсй гравитационных
линз.
Нельзя забывать и еще об одном человеке. Мы име
ем в виду чешского инженера-электрика Р. Мандла. Он
сам не писал статей о ГЛ, но своп мысли о них выска
зал Эйнштейну, который и произвел необходимые рас
четы. Об этом прямо говорится в самом начале работы
Эйнштейна: «Некоторое время тому назад меня посетил
Р. Мандл и попросил опубликовать результаты неболь
шого расчета, который я провел по его просьбе. Усту
пая его желанию, я решил опубликовать эту заметку».
Среди упомянутых публикаций выделяются работы
А. Эйнштейна и Г. А. Тихова, выполненные независимо
друг от друга и практически одновременно. В них име
ются необходимые расчеты (у Г. А. Тихова более по
дробные), тогда как во всех предыдущих статьях содер
жались лишь качественные описания некоторых прояв
лений линзового эффекта. В последующие годы в раз
личных странах появилось большое число работ на эту
тему. Особенно возрос поток публикаций после обнару
жения первой ГЛ. Сегодня число статей, посвященных
эффекту ГЛ, измеряется уже сотнями. Об основных иде
ях. которые в них содержатся, мы расскажем в дальней
шем, а пока что вернемся почти на 200 лет назад. Дело
в том, что немецкий астроном И. Зольднер рассчитал
угол преломления световых лучей в гравитационном по
ле Солнца еще в 1801 г. Его расчет основывался на тео
рии Ньютона и результат выражался следующей про
стой формулой:
6
Здесь введены следующие обозначения (рис. 1): 0(п)к—■
угол гравитационного преломления светового луча, рас
считанный по теории Ньютона (на это указывает верх
ний индекс «и»)
ге = 2в = г„/р, то положительный ответ не вызы
вает сомнения. Действительно, уже в первом издании
«Начал» (1687 г.) показано, что в центральном поле
тяготения траектории всех тел представляют собой од
но из конических сечений. В частности, частица, путь
которой начинается с конечной скоростью из бесконеч
ности, движется по гиперболе с фокусом в центре при
тяжения. При малых углах отклонения угол между
асимптотами гиперболы (а это и есть угол преломле
ния) равен как раз ге/р. Далее необходимо выяснить,
мог ли Ньютон применить законы движения материаль
ных тел к световым частицам, допускал ли он их при
тяжение к массивным телам? Известно, что ньютонов
ская модель света очень сложна. Чего стоит, например,
такое определение («Оптика», 1704 г.): «Под лучами
света я разумею его мельчайшие части как при их но7
Рис. 1. Преломление светового
луча в поле тяготения Солнца
следовательном чередовании вдоль тех же линий, так
и одновременно существующие по различным линиям».
Здесь можно усмотреть корпускулярный характер тео
рии, суть которой заключается в том, что свет состоит
из мельчайших частиц, вылетающих из источника по
всем направлениям. Далее Ньютон подчеркивает, что
корпускулы летят прямолинейно, но в то же время за
дает вопрос: «Не действуют ли тела на свет на расстоя
нии и не избегают ли этим действием его лучей, и не
будет ли (при прочих равных условиях) это действие
сильнее всего на наименьшем расстоянии?» Как будто
бы формулировка вопроса не оставляет сомнения в том,
что Ньютон размышлял о преломлении света в поле тя
готения. Но мы воздержимся от столь категоричного
утверждения, так как приведенное выше высказывание
относится к опытам по дифракции света вблизи резко
го края непрозрачных экранов. Вполне возможно, что
гравитационное воздействие здесь совсем и нс подра
зумевалось. Однако, с другой стороны, заключительный
раздел первой книги «Начал» посвящен движению весь
ма малых частиц под действием сил притяжения к боль
шим телам. Там же говорится об аналогии между траек
ториями этих частиц и световыми лучами.
Все необходимые данные о величинах, входящих в
формулу для определения ©("'„с (скорость света, масса
Солнца и его радиус), могли оказаться в распоряжении
Ньютона к моменту написания «Начал» или в крайнем
случае к моменту опубликования «Оптики», но такое
уточнение ничего, разумеется, не меняет, поскольку в
литературном наследии Ньютона расчета 0ч1., для
Солнца нет.
Немногим более чем через 10 лет после опубликова
ния работы И. Зольднера французский физик О. Фре
нель убедительно показал, что свет представляет собой
волновой процесс. Возможно, поэтому работа Зольдне
ра, в которой свет рассматривался как поток частиц,
была надолго забыта, а преломление света в гравита
ционном поле вновь привлекло к себе внимание уже как
8
эффект, предсказанный общей теорией относительности
(ОТО), создателем которой является Эйнштейн. Более
того, оказалось, что искривление светового луча вбли
зи края диска Солнца играет чрезвычайно важную роль.
Этот эффект входит в экспериментальную основу ОТО
наряду с красным смещением (изменение частоты коле
баний в поле тяготения) и смещением перигелия Мер
курия. Среди упомянутых трех эффектов преломление
световых лучей является наиболее наглядным, и только
после того как он был обнаружен, теория относитель
ности привлекла к себе всеобщее внимание.
События развивались следующим образом. Принцип
относительности для систем отсчета, движущихся отно
сительно друг друга с произвольной, но постоянной ско
ростью, был сформулирован Эйнштейном в 1905 г. Спу
стя два года этот принцип был обобщен на системы от
счета, движущиеся относительно друг друга с ускоре
нием, что позволило установить влияние гравитацион
ного поля па разнообразные физические явления, в том
числе и на распространение света. Проведенные в 1911 г.
расчеты угла отклонения в поле тяготения Солнца при
вели Эйнштейна к старым (ньютоновским) результатам:
©в = ге/Р- Нет сомнения, что Эйнштейн не знал о работе
И. Зольднера 1801 г., так как, получив ту же формулу
для угла отклонения, он ничего не говорит о своем пред
шественнике. Но вопрос о приоритете в определении 0е
мог иметь определенную остроту лишь в течение четы
рех лет, потому что в 1915 г. появилась новая работа
Эйнштейна, в которой была окончательно сформулиро
вана ОТО и установлено, что найденное ранее значение
угла преломления является заниженным ровно в 2 раза.
Причина расхождения заключается в том, что, соглас
но ОТО, поле тяготения массивного тела, вблизи кото
рого проходит луч света, вызывает искривление прост
ранства-времени, что и приводит к дополнительному от
клонению луча по сравнению с ньютоновским значением.
Итак, из теории Эйнштейна следовало, что
0
Последние комментарии
5 часов 56 минут назад
6 часов 4 минут назад
6 часов 32 минут назад
6 часов 36 минут назад
6 часов 37 минут назад
6 часов 44 минут назад