12 одинаковых галактик сбивают ученых с толку

Представьте, что вы титан, который создает нашу Вселенную из всевозможных ингредиентов. У вас есть прекрасная галактика Солнечной дуги. Давайте разместим ее примерно в одиннадцати миллиардах световых лет от Земли. Теперь добавим яркости... Поиграем с размером... Ой! Вы случайно нажали кнопку копирования. О нет! Вы создали двенадцать копий галактики!

Такой сценарий не покажется вам совсем невозможным, если вы посмотрите на последние снимки с телескопа «Хаббл». Вот четыре необычные дуги. Первая, вторая, третья и четвертая. И на каждой из дуг есть яркие точки. Каждая точка является точной копией галактики Солнечной дуги. Этому может быть два объяснения: либо кто-то создал двенадцать идентичных галактик, либо это просто оптическая иллюзия. Ученые придерживаются второго варианта.

Для начала давайте посмотрим на свет фонаря ночью. Видите круг по периметру света? Это ореол или, как его еще называют, гало. Ореол появляется, когда в воздухе витает много кристаллов льда или капель воды. Эти кристаллы преломляют свет от лампочки точно так же, как линза. И мы видим яркий круг света. Не кажется ли вам, что этот ореол и фотография галактики очень похожи?

Так и есть. Но что же может действовать как линза и искажать свет? Мы знаем, что достаточно тяжелый объект может искажать пространство и время. Давайте возьмем гигантскую сетку и представим, что это пространственно-временной лист. Теперь положим на нее что-нибудь тяжелое, весом с наше Солнце. Заметили, как провисла сеть? В ней образовалась глубокая воронка. И любой предмет, лежащий рядом, всегда будет падать в нее. Вот как устроена наша Солнечная система. Небольшие объекты, такие как планеты и астероиды, вращаются вокруг воронки с Солнцем.

Теперь поместите в центр сети что-нибудь сверхмассивное. Например, черную дыру. Сеть провисла так сильно, что мы уже не видим дна воронки. Теперь ни один объект, даже сам свет, не сможет вырваться из этой гравитационной ловушки.

И если мы посмотрим на известные нам черные дыры, мы сможем увидеть, как всё происходит. Они всасывают свет, подобно спагетти. Небольшие частицы света остаются на горизонте событий, но вскоре тоже исчезают.

Черная дыра изгибает свет и не позволяет ему добраться до нас, ведь она очень тяжелая. А если вы положите в пространственно-временную сеть что-то легкое, заметного искажения не произойдет. Возьмем что-то средней массы. Что-то, что будет искажать свет, но не поглощать его. Например, скопление галактик.

Давайте посмотрим на процесс с самого начала. Вот галактика Солнечной дуги. Она испускает фотоны света. Эти лучи движутся к Земле с невероятной скоростью. При такой скорости вы могли бы преодолеть сто пятьдесят миллионов километров от Земли до Солнца всего за восемь минут.

Затем эти лучи сталкиваются со скоплением галактик на расстоянии около четырех целых шести десятых миллиарда световых лет от Земли. Скопление играет роль линзы, только вместо изогнутого стекла оно использует гравитацию. Лучи разделяются, обтекают скопление галактик и продолжают движение к Земле. В результате наблюдатели замечают дуги света, каждая из которых представляет собой копию галактики.

Но какая из этих двенадцати копий является настоящей галактикой? На самом деле никакая. Но в то же время все эти копии — одна настоящая галактика. Вот так и работают оптические иллюзии.

А вот Космическая подкова. Эта ярко-голубая дуга представляет собой систему из двух галактик в созвездии Льва. То же самое происходит и здесь. Свет от двух галактик проходит через линзу другой галактики, примерно в сто раз тяжелее нашего Млечного Пути.

Гравитационная линза не только красива, но и невероятно полезна для наших ученых. В далеком космосе много незаметных и тусклых объектов. И мы не можем увидеть их с больших расстояний. Гравитационные линзы помогают их свету достигать глаз наблюдателя, благодаря чему мы можем изучать далекие космические объекты.

Например, галактика Солнечной дуги — очень старая галактика. Когда она появилась, в космосе не было даже звезд. Это была эпоха реионизации. Примерно через пятьсот пятьдесят — восемьсот миллионов лет после Большого взрыва. Именно тогда начали появляться первые звезды. Их свет помог «зарядить» Вселенную, и через несколько миллиардов лет она приняла ту форму, которую мы наблюдаем сейчас.

Благодаря таким галактикам, как галактика Солнечной дуги, мы можем изучать, как зарождалась и развивалась наша Вселенная.

И такие дуги являются лишь одним из видов линз. Другой тип — крест Эйнштейна. Давайте посмотрим на созвездие Пегаса. Примерно в восьми миллиардах световых лет в его направлении находится яркий квазар.

Это активное ядро галактики со сверхмассивной черной дырой в центре. Оно поглощает звездную пыль и материю вокруг себя и становится больше и ярче. Один квазар излучает в сто раз больше энергии, чем все звезды нашей галактики, вместе взятые. Это также самый яркий объект во всей Вселенной. Яркость квазара оценивается в плюс двенадцать целых шесть десятых единицы. В то же время яркость самой яркой звезды составляет минус одну целую сорок шесть сотых.

И мы можем наблюдать, как яркий свет квазара преломляется и образует крест Эйнштейна. Луч света летит к галактике, что находится в четырехстах миллионах световых лет от Земли, и начинает искажаться. Мы как наблюдатели видим результат: четыре яркие точки и саму галактику-линзу в центре.

Возможно, в будущем этот квазар станет большой галактикой и мы сможем наблюдать процесс ее рождения через эту линзу.

Нам известно около ста таких линз, разбросанных по всему космосу. Это разные галактики, удаленные от Земли и достаточно тяжелые, чтобы искажать свет. Учитывая, что в нашей Вселенной насчитывается около двух триллионов галактик, сотня — это очень мало. Всё потому, что галактика или скопление звезд, которые преломляют свет, должны быть тусклыми. Если они яркие, мы увидим только их собственный свет.

И даже нашу галактику Млечный Путь можно использовать в качестве линзы. Если далеко в космосе есть какая-то разумная жизнь и те существа исследуют Вселенную так же, как и мы, они могут направить свои телескопы на нашу галактику и увидеть искривленный свет от далеких миров.

Интересно, что даже такой маленький объект, как Солнце, может заставлять свет от других звезд изгибаться. Но наша звезда отклоняет свет под очень небольшим углом, так что разница едва заметна.

То же самое копирование, что и в галактике Солнечной Дуги, можно увидеть прямо здесь, на Земле. И вам даже не понадобится телескоп. В морозную погоду можно увидеть на горизонте три солнца. Те же кристаллы льда, которые создают ореол вокруг уличного фонаря, преломляют солнечный свет так, что в круглом ореоле появляются две яркие точки по обе стороны от настоящего солнца. Эти точки настолько яркие и большие, что их можно спутать с настоящей звездой.

Аналогичный эффект возникает при лунном свете. Луна отражает солнечные лучи, падающие на Землю. Но кристаллы в облаках преломляют свет так, что вы видите две голубые точки рядом с самой луной.

Но гравитационные линзы в космосе искривляют не только свет, но и течение времени. Правила просты: чем больше и тяжелее объект, тем медленнее течет время рядом с ним.

Так что, если вы найдете сверхмассивную черную дыру и сможете добраться до ее сердца, для вас время практически остановится. Одна минута около черной дыры может быть равна неделям или даже месяцам на Земле.

Но Земля тоже довольно тяжелая, что замедляет течение времени. Чтобы избавиться от ее гравитационного влияния, нужно улететь подальше в космос. Там вы будете перемещаться во времени немного быстрее, чем все остальные на Земле.

Есть один человек, который действительно совершил такое путешествие. Это астронавт, который пробыл на Международной космической станции восемьсот три дня, девять часов и тридцать девять минут. И даже сорок один час в открытом космосе! И теперь он движется во времени, опережая всех жителей Земли на две сотых секунды.

Давайте вернемся к нашей пространственно-временной сетке и положим на нее Землю. Сеть провисла совсем немного. Но этого достаточно, чтобы время в центре воронки отличалось от времени на расстоянии нескольких сантиметров. Именно так астронавт с МКС и смог опередить нас во времени.