Открытие двойной гравитационной линзы может пролить свет на расширение Вселенной

Астрономы наткнулись на счастливое космическое выравнивание: две галактики, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет друг от друга, но идеально выстроенные в линию с Земли, так что они действуют как сложная линза, гравитационно изгибая свет и увеличивая далекий космический маяк позади них. Часть света от маяка — светящейся гигантской черной дыры, известной как квазар — следует зигзагообразной траектории вокруг двух галактик.

Помимо создания необычного светового шоу, эта первая известная двойная линза позволит точно измерить скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла, сообщает команда в препринте, опубликованном на arXiv. «В этом и заключается настоящая сила этих линзированных квазаров: пролить свет на то, соответствует ли скорость расширения Вселенной космологической модели или нет», — говорит космолог Томас Коллетт из Университета Портсмута.

Астрономам известно около 1000 случаев, когда, как предсказывает общая теория относительности Альберта Эйнштейна, сильная гравитация крупного объекта, например галактики или скопления галактик, искривляет свет, исходящий от ярких источников позади него. Скопления галактик — это несовершенные линзы, которые создают искаженные изображения. Но эллиптические галактики, симметричные сгустки звезд с плотными ядрами, аналогичны простым линзам, таким как линзы в очках или биноклях. Они могут преобразовать далекий яркий источник в элегантную размытую дугу света, известную как кольцо Эйнштейна, или в четыре дублированных изображения.

Именно это исследователи и обнаружили в 2017 году с J1721+8842: эллиптическая галактика, изгибающая свет фонового квазара в четыре изображения. Такие системы полезны, поскольку яркость квазаров меняется со временем. Поскольку свет, создающий каждое изображение, следует по разным траекториям вокруг линзирующей галактики, меняющаяся яркость изображения выявляет временную задержку, вызванную этими маршрутами. Знание задержек и траекторий позволяет астрономам рассчитать скорость расширения Вселенной.

С этой целью Фредерик Дукс из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне и его коллеги наблюдали J1721+8842 в течение 2 лет, используя Nordic Optical Telescope, чтобы составить карту изменений на четырех изображениях квазаров. На их сканах появились два более слабых изображения, и изначально они предположили, что это линзированные дубликаты со второго квазара, близкого к первому. Они предположили, что красноватое кольцо Эйнштейна, также видимое на их изображениях, было искаженным изображением галактики-хозяина одного или обоих квазаров.

Но Дюкс говорит, что когда он более внимательно посмотрел на свет двух более слабых изображений, «они идеально совпали со светом основного квартета». Другими словами, они видели свет от одного квазара, воспроизведенный шесть раз. Колетт и другие теоретики предсказали, что это может произойти с составной линзой — двумя галактиками, выстроенными в линию. Данные орбитальной лаборатории JWST НАСА показали, что красноватое кольцо Эйнштейна не находится на том же расстоянии, что и квазар, а расположено между ним и J1721+8842. Кольцо было, по сути, второй линзирующей галактикой. Команда построила компьютерную модель возможных путей, по которым мог пройти свет квазара, и пришла к выводу, что два изображения, по-видимому, были созданы светом, зигзагообразно движущимся вокруг двух галактик.

С шестью наборами временных задержек и световых путей команда надеется вычислить особенно точное значение постоянной Хаббла. Это будет приветствоваться космологами, поскольку ее истинное значение оспаривается командами, измеряющими его разными способами, дисперсия известна как напряжение Хаббла. Но тот факт, что эта система отображает два объекта на разных расстояниях — квазар и красную галактику — позволит команде также вычислить другой космологический параметр, который определяет, как скорость расширения Вселенной менялась со временем, ускоряясь под влиянием таинственной силы, известной как темная энергия.

По словам Коллетта, возможность расчета как постоянной Хаббла, так и параметра темной энергии в одной системе устраняет некоторые неопределенности в таких измерениях и делает J1721+8842 мощным инструментом для проверки космологической теории.

Однако такие вычисления очень сложно сделать. Вероятно, пройдет больше года, прежде чем команда сможет вытащить эти числа из запутанных изображений J1721+8842. «Это большая работа», — говорит Коллетт, — «так что нам, возможно, придется немного подождать».