У космосі знайдено перший "зигзаг Ейнштейна": чому це важливо для людства та науки

Космічний телескоп "Джеймс Вебб" допоміг вченим виявити перший "зигзаг Ейнштейна". Це один космічний об'єкт, квазар, повторений шість разів через гравітаційну лінзу. Ефект має назву через те, що термін "гравітаційної лінзи" вперше запропонував Альберт Ейнштейн у 1915 році.

Чому це важливе відкриття та хто його автор – розповідає 24 Канал, дослідивши матеріал Space.com.

Що відомо про зигзаг Ейнштейна

Система, що має позначення J1721+8842, складається з квазара – надзвичайно яскравого галактичного ядра – лінзованого двома галактиками. Це неймовірно рідкісне відкриття, зразок цікавого явища викривлення простору-часу, описаного у теорії відносності Альберта Ейнштейна.

Перший зигзаг Ейнштейна, який побачило людство, може допомогти вченим розкрити дві найбільші таємниці космології. Перша загадка пов'язана з природою темної енергії, або силою, що спонукає до прискореного розширення Всесвіту, на яку припадає приблизно 70% космічної енергії та матерії. Друга ж пов'язана з невідповідністю, яку вчені виявляють під час вимірювання значення швидкості розширення Всесвіту, вона має назву стала Габбла.

Я в захваті не тільки тому, що це природне явище, що захоплює, але й тому, що ця система є неймовірно перспективною для вимірювання космологічних параметрів. Ця система лінз має потенціал для встановлення лімітів як для сталої Габбла, так і для рівняння стану темної енергії, що було неможливим раніше,
– каже Мартін Міллон, один з авторів відкриття та космолог Стенфордського університету.

Що таке гравітаційна лінза

Згідно із загальною теорією відносності, масивні об'єкти викликають викривлення в самій тканині простору-часу, який об'єднано в єдину сутність. Чим більша маса об'єкта, тим більше викривлення – своєрідна "вм'ятина", яку він створює у просторі-часі. Саме через це викривлення виникає гравітація: масивніші об’єкти мають сильніший гравітаційний вплив.

Як влаштована гравітаційна лінза / NASA, ESA & L. Calçada

Гравітаційне лінзування відбувається, коли світло від далекого об'єкта проходить повз масивний об'єкт, який виконує роль лінзи. Воно викривляється, огинаючи масивне тіло по різних траєкторіях. У результаті, світло, що походить від одного джерела, може досягати телескопа з різних напрямків і в різний час.

Це створює ефект, коли один об'єкт з’являється в декількох місцях на зображенні. Так виникають такі феномени, як "кільця Ейнштейна", "хрести Ейнштейна" та, у випадку з квазаром J1721+8842, "зигзаг Ейнштейна".

Зазвичай гравітаційні лінзи, створені однією галактикою, формують два або чотири зображення джерела, залежно від вирівнювання. У цьому випадку є унікальне вирівнювання двох галактик і далекого квазара, що утворює рідкісну конфігурацію з шести зображень,
– пояснив Міллон.

Ця конфігурація дістала назву "зигзаг Ейнштейна", оскільки траєкторія двох зображень огинає першу галактику з одного боку, а потім відхиляється другою галактикою з іншого, утворюючи зигзагоподібний малюнок. Це відкриття не лише демонструє виняткову красу космосу, але й допомагає вивчати фундаментальні закони фізики, як-от розширення Всесвіту та природа темної енергії.

Провідний автор дослідження, науковець з лабораторії астрофізики Федеральної політехнічної школи Лозанни Фредерік Дюкс зазначив, що це перший випадок, коли науковці зафіксували настільки ідеальне вирівнювання трьох різних об'єктів, які разом створюють гравітаційну лінзу.

Зазвичай гравітаційна лінза включає лише два об'єкти – наприклад, галактику, яка діє як лінза, та іншу галактику за нею, світло якої викривляється передньою. Безумовно, є приклади лінзування, що виникають завдяки взаємодії кількох галактик одночасно, як це відбувається в кластерах галактик. Але в таких випадках ефекти різних об'єктів поєднуються слабко. Поодинока галактика, що виступає ідеальною лінзою, – це дуже рідкісне явище, адже їх вирівнювання зазвичай недостатньо точне,
– пояснив Дюкс.

Однак випадок із J1721+8842 виявився винятковим.

Найближча галактика, яка утворює цю лінзу, розташована на такій відстані, що її світло подорожувало до Землі 2,3 мільярда років. А світло від дальшої галактики летіло до нас цілих 10 мільярдів років.

Попри величезну відстань між цими двома галактиками, за словами Дюкса, вони створюють настільки ідеальне вирівнювання, що обидві одночасно заломлюють світло від джерела квазара, розташованого приблизно за 11 мільярдів світлових років. Ба більше, ближча галактика також лінзує світло від проміжної галактики.

Квазар J1721+8842 / Спостереження Фредеріка Дюкса

"Це надзвичайно рідкісне явище. Ми припускаємо, що лише один із 50 тисяч лінзованих квазарів міг би мати таку конфігурацію... А оскільки нам відомо лише про близько 300 таких квазарів, нам дуже пощастило знайти цей! Цілком можливо, що ми більше ніколи не знайдемо подібний об'єкт", – каже Дюкс.

Як "зигзаг Ейнштейна" може допомогти розв'язати космологічну кризу

Фредерік Дюкс поділився, що його команда вже працює над оновленими моделями системи J1721+8842 для вимірювання сталої Габбла.

Більшість лінзованих квазарів можна використовувати для цього, але той факт, що ця система має дві різні лінзи, значно покращує точність моделі, а отже, зменшує невизначеність значення сталої Габбла. Це дуже важливо в час, коли космологія стикається з можливою кризою через так звану напругу Габбла,
– поясний вчений.

Напруга Габбла виникає через те, що вимірювання сталої Габбла в ранньому Всесвіті та екстраполяція її еволюції на 13,8 мільярда років повинні збігатися з вимірюваннями в локальному Всесвіті. Однак ці два значення помітно різняться.

"Звичайно, розбіжності можуть бути наслідком помилок у вимірюваннях. Тому, перш ніж оголошувати кризу, нам потрібно шукати потенційні помилки та вдосконалювати методологію," – додав Дюкс.

Цей унікальний зигзагоподібний об'єкт може допомогти зменшити невизначеність вимірювань і зблизити значення сталої Габбла, отримані різними методами. Більше того, система J1721+8842 може також допомогти уточнити рівняння стану темної енергії Всесвіту.

Це важливо, оскільки ця величина і стала Габбла зазвичай вирішуються разом, що створює так звану виродженість. Це означає, що обидві характеристики можна підлаштовувати в різних напрямах, залишаючись у межах даних. Але завдяки цій системі ми, можливо, зможемо розділити ці параметри,
– зазначив вчений.

За словами науковця, це стане проривом, адже одночасне точне визначення цих двох значень – завдання, яке зазвичай неможливо реалізувати. Хоча робота в цьому напрямку вже триває, вона вимагає значної теоретичної підготовки та розвитку технічної інфраструктури, щоб уникнути похибок.

Крім того, J1721+8842 дозволяє вивчати більш віддалену галактику, яка також виступає і лінзою, і джерелом світла. Завдяки цьому вчені можуть точно визначити її масу, дослідити історію формування зірок та розподіл матерії. "Це перша реальна можливість відповісти на такі питання для галактики на такій величезній відстані," – підсумував Дюкс.

Хоча телескоп "Джеймс Вебб" відіграв ключову роль у відкритті істинної природи J1721+8842, він не є оптимальним інструментом для пошуку подібних систем.

"JWST забезпечує надзвичайно глибокі спостереження для невеликих ділянок неба. Але для пошуку таких об'єктів, як "зигзаг Ейнштейна", нам потрібні масштабні огляди всього неба, – зауважив Дюкс. – Місії, як-от Gaia, Pan-STARRS, Euclid чи майбутній огляд LSST в обсерваторії Вери Рубін, краще підходять для таких завдань. Ми продовжимо шукати лінзовані квазари й, можливо, знову знайдемо щось настільки ж унікальне. Але це буде питанням удачі".