Гравитационная фокусировка

До сих пор мы рассматривали принципы детектирования гравитационных волн с помощью небесных тел, но было бы хорошо научиться фокусировать эти волны, создавая высокую плотность гравитационного излучения в некоторой точке пространства — в фокусе. Разумеется, поскольку волны гравитационные, то и фокусирующая их линза тоже должна быть гравитационной. Такой линзой может служить любое массивное тело.

Гравитационная линза универсальна: она фокусирует все виды излучения и потоки любых частиц, ведь гравитационному взаимодействию подвержены все материальные объекты. Принципиальная возможность создания такой линзы была доказана в 1919 г., когда под руководством А. Эддингтона во время полного солнечного затмения измерили отклонение лучей света звезд, наблюдавшихся недалеко от края Солнца. Оправдалось предсказание А. Эйнштейна, что лучи света, проходящие вблизи солнечного края, отклоняются на 1,75″ (под таким углом мы видим толщину спички с расстояния 200 м). Зная эту величину, даже школьник может вычислить, что отклоненные Солнцем лучи соберутся в фокусе, расположенном на расстоянии 550 а. е. от светила — в 18 раз дальше орбиты Нептуна. Поток излучения в фокусе такой гравитационной линзы, как Солнце, усиливается всего в несколько раз. Солнце и любой другой одиночный массивный объект — плохая гравитационная линза, так как обладает сильнейшей аберрацией. У этой линзы нет одной точки фокуса, где собирались бы все параллельно падающие на нее лучи: чем дальше проходят лучи от поверхности Солнца, тем больше для них фокусное расстояние.

Рис. 5.10. Планета — гравитационная линза. Такая линза фокусирует все виды излучения и потоки любых частиц. К сожалению, у нее нет единого фокусного расстояния. Но к счастью, она практически изотропна: фокусирует частицы и кванты, приходящие с любого направления.

Но для излучений, которые проникают сквозь вещество (гравитационные волны, нейтрино), можно рассчитать, каким должно быть распределение плотности вещества вдоль радиуса гравитационной линзы, чтобы фокусировка происходила в одной точке, где поток излучения значительно усилится. Оказалось, что распределение плотности вещества в мантии и внешнем ядре земного шара неплохо подходит для целей гравитационной фокусировки. Жаль только, что точка фокуса удалена от Земли на 13 000 а. е. Но если установить автоматическую систему детектирования на комету с подходящей орбитой, то через 325 тыс. лет наш детектор прибудет на место наблюдения. А до области, где фокусирует Солнце, комета доберется всего за 2300 лет. А межпланетный зонд, использующий гравитационные маневры в поле планет-гигантов, сделает это намного быстрее. Вспомним, что «Пионеры» и «Вояджеры» уже удалились на 100 а. е.

Так что с развитием космонавтики использование Солнца и планет в качестве гравитационных линз может стать реальным. А пока мы не имеем возможности выносить наши детекторы далеко от Земли, нужно подбирать подходящую линзу, в фокусе которой мы случайно находимся, благо вокруг нас много звезд и галактик. Эффект гравитационной фокусировки обсуждается с середины 1920-х гг., начиная с работы петербургского физика Ореста Хвольсона. В отношении линзы-звезды особого оптимизма не было: рядом с яркой звездой трудно заметить изображение более далекого объекта. Другое дело — использовать в качестве линзы галактику, поверхностная яркость которой невелика, а гравитационный потенциал не меньше, чем на поверхности нормальной звезды.

Несколько лет продолжались поиски эффекта гравитационной фокусировки в мире галактик, прежде чем в конце 1978 г. эффект был обнаружен: астрономы заметили, что изображение далекого квазара QSO 0957+561 состоит из двух почти одинаковых частей, разделенных углом всего 6″. При этом они имеют одинаковые спектры с одинаковым красным смещением и «мигают» в унисон с временной задержкой один относительно другого 417 сут. Оказалось, что это два изображения одного квазара, созданные гравитационной линзой — более близкой к нам галактикой, изображение которой позже обнаружили. Галактика находится от нас на расстоянии 3,7 млрд св. лет (красное смещение z = 0,355), а квазар удален на 8,7 млрд св. лет (z = 1,41). Если бы галактика лежала точно на линии «квазар — Земля» и была сферически симметричной, то изображение квазара имело бы форму кольца (так называемое кольцо Эйнштейна). Но это не так, поэтому изображение, созданное гравитационной линзой, представляет собой несколько пятен. Позже были найдены тройные и даже четверные изображения квазаров («крест Эйнштейна»). Таким образом, принцип гравитационной фокусировки был доказан. Позже обнаружилось, что роль гравитационной линзы могут играть как целые скопления галактик, так и отдельные звезды, если их собственный блеск слабее яркости созданного ими изображения. До сих пор такие наблюдения проводились в оптическом и радиодиапазоне. В будущем нам нужно научиться использовать этот метод для усиления проницающей способности нейтринных и гравитационноволновых телескопов.