«Дежавю надновий Рефсдала, або Назад у майбутнє»

Дмитро Вібе, астрохімік, зав. відділом фізики та еволюції зірок Інституту астрономії РАН

Щоб зробити об’єктив традиційного телескопа, необхідні скляна лінза або увігнуте дзеркало, здатні відхиляти і фокусувати світло. Але чи обов’язково робити телескоп з якогось матеріалу? Ні, якщо ви використовуєте властивості гравітації. Гравітація теж здатна викривляти світлові промені, тому не дивно, що масивні об’єкти проявляють себе як незвичайні лінзи, що відхиляють, а іноді і фокусують випромінювання більш далеких джерел. Відомо вже багато прикладів того, як відносно близька галактика (або скупчення галактик) настільки підсилює випромінювання набагато більш далекої галактики, що та стає доступним для спостережень об’єктом.

Гравітаційна лінза в цьому випадку виступає в ролі своєрідної приставки до земного телескопа. Правда, природа німало не дбає про те, щоб забезпечити правильний пристрій цієї лінзи, тому «збільшені» нею зображення часто виявляються сильно спотвореними або навіть розпадаються на кілька окремих зображень. Відомими прикладами таких розмножених зображень є квазари Хрест Ейнштейна і Ліст Клевера.

Гравітаційне лінзування не тільки дозволяє спостерігати далекі об’єкти, які без нього були б занадто тьмяними для сучасних телескопів, але й допомагає незалежно визначати космологічні параметри. Аналізуючи лінзовані зображення, можна також більше дізнатися і про саму лінзу, наприклад, з’ясувати, як у ній розподілена речовина.

У 1964 році норвезький астрофізик Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) опублікував коротку роботу, в якій передбачив, що особливо зручним інструментом для вирішення подібних завдань є спостереження лінзованих наднових. Світло в різних зображеннях лінзованого об’єкта йде до спостерігача різними шляхами, що мають різну довжину. Відповідно, якщо в об’єкті щось сталося, наприклад стався спалах наднової, в різних зображеннях ми побачимо цю подію в різний час.

Рефсдал у своїй роботі продемонстрував, як можна визначити масу лінзи і постійну Хаббла за різницею часів реєстрації однієї і тієї ж події в різних зображеннях. В принципі, в цих цілях можна використовувати не тільки наднові, але і будь-які інші об’єкти з змінним блиском, наприклад квазари. Але для визначення часу затримки за кривими блиску (тобто за залежністю потоку випромінювання від часу) різних лінзованих зображень одного квазара потрібні досить тривалі спостереження — це необхідно, щоб достовірно порівнювати криві блиску один з одним. Набагато зручніше працювати з разовими зусиллями яскравості, як при спалахах наднових.

У березні 2015 року Патрік Келлі (Patrick Kelly) зі співавторами повідомив у журналі Science про те, що в листопаді 2014-го їм вдалося за допомогою космічного телескопа «Хаббл» відкрити першу лінзовану наднову. Зірка спалахнула в спіральній галактиці на червоному зміщенні 1,49.

На шляху до земного спостерігача її світло проходить поблизу еліптичної галактики зі скупчення MACS J1149.6 + 2223 на червоному зміщенні 0,54 і відчуває на ній гравітаційне лінзування. В результаті ми бачимо не одне зображення наднової, а чотири (безискусно позначені S1, S2, S3 і S4), майже симетрично розташувалися навколо еліптичної галактики-лінзи. Оскільки це перший випадок виявлення конфігурації, передбаченої Рефсдалом, автори статті в Science запропонували назвати наднову його ім’ям. Далі починається найцікавіше: зображення батьківської галактики наднової Рефсдала лінзується не тільки конкретною еліптичною галактикою, але і всім скупченням MACS J1149.6 + 2223.

І якщо еліптична галактика будує декілька зображень наднової в одному зображенні батьківської галактики, то скупчення загалом розмножує зображення вже самої батьківської галактики. Наднова була видна тільки в одному з них (воно позначається як 1.1). Значить, вирішили автори, в інших зображеннях наднова або вже згасла, або ще не спалахнула.

З часу виходу статті Келлі зі співавторами було опубліковано кілька робіт, автори яких спробували відтворити розподіл маси в скупченні MACS J1149.6 + 2223 за спостереженнями лінзованої наднової. Це досить складне завдання, так що висновки різних робіт досить значно відрізнялися один від одного. Зокрема, всі погоджувалися з тим, що в чотирьох зображеннях наднова тимчасова затримка становить кілька діб, але конкретні значення затримки і навіть «черговість» зображень S1-S4 в різних моделях були різними.

На знімку — області скупчення галактик MACS J1149.6 + 2223, гуртками обведені три зображення батьківської галактики наднової Рефсдала. У листопаді 2014 року спалах проявився в нижньому зображенні. У верхньому зображенні її можна було б спостерігати багато років тому. У середньому зображенні спалах відбувається зараз. Фото з сайту eso.org

Проаналізувавши інші зображення батьківської галактики (позначаються 1.2 і 1.3), автори всіх робіт зійшлися в тому, що в зображенні 1.3 спалах проявився вже давно — за різними оцінками, від 9 до 17 років тому. Причому вона була занадто тьмяною, щоб її можна було відшукати на архівних знімках. Інша справа — зображення 1.2. У ньому всі представлені моделі передбачили спалах наднової в самому недалекому майбутньому (причому деякі з передбачених дат вже минули).

Останні оцінки [1], [2], засновані на детальному вивченні структури скупчення MACS J1149.6 + 2223 за допомогою телескопів VLT, спрогнозували пік наступного спалаху на березень-червень 2016 року, а початок зростання яскравості — і зовсім на кінець 2015 року.

І очікування виправдалися! З кінця жовтня минулого року телескоп «Хаббл» час від часу переглядав у напрямку зображення 1.2, і спостереження, проведені 11 грудня 2015 року, показали, що в ньому з’явилася очікувана зірочка! Вона виникла саме там, де мала, хоча й виявилася дещо тьмянішою, ніж передбачалося. Цікаво відзначити найвищу швидкість підготовки статті: вона була викладена в Arxiv через чотири дні після спостережень [3].

Не залишилися забутими і чотири вихідні зображення. Весь рік телескоп «Хаббл» стежив і за ними, що дозволило побудувати для них криві блиску, істотно уточнивши значення часів затримки. Першим (як передбачали і всі попередні моделі) йде зображення S1. За ним йдуть зображення S3 із запізненням приблизно в один-два дні і S2 із запізненням на 4-7 днів. Пізніше всіх, із затримкою більш ніж на три тижні, проявляється зображення S4, найтьмяніше з усіх [4].

Можливість передбачення спалаху наднової задовго до її реального початку привернула до себе значну увагу як «класичне» наукове передбачення, що збулося, причому не в небесній механіці, де точними передбаченнями нікого не здивуєш, а в куди менш вивченій області. Спостереження наднової Рефсдала, по суті, вказують, що ми виходимо на новий рівень передбачувальної точності в настільки складній проблемі, як гравітаційне лінзування.

Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) — норвезький астрофізик. Народився в Осло 30 грудня 1935 року (у 2015-му йому виповнилося б 80 років). З 1967-го по 1970 рік займав позицію ад’юнкт-професора в Університеті штату Небраска (США). Там він зустрів Альфреда Вайгерта (Alfred Weigert) з Гамбурзької обсерваторії (Німеччина), з чого почалася їхня плідна співпраця в галузі еволюції зірок, що тривала до 1980-х років. У 1970-му Рефсдал отримав Ph.D. в Інституті теоретичної астрофізики Університету Осло. Того ж року він став професором Гамбурзької обсерваторії і залишався на цій позиції до відходу на пенсію в 2001-му. Після цього він повернувся в рідне місто, де займав позицію заслуженого професора Університету Осло.

З 1964-го по 1970-й Рефсдал опублікував шість статей, в яких багато в чому заклав основи досить значної області астрофізики, пов’язаної з вивченням гравітаційного лінзування. Написаний ним набагато випереджав час, і тоді його статті дуже мало цитувалися. Тільки після відкриття першої гравітаційної лінзи 1979 року статті Рефсдала привернули увагу колег. Вже 1964 року він показав, як лінзування може служити інструментом для вимірювання швидкості розширення Всесвіту (постійної Хаббла) і маси галактик. Цей метод був названий методом Рефсдала.

У середині 1960-х разом з групою колег Рефсдал провів кілька досліджень з розвитку космологічних моделей, які також стали піонерськими. З кінця 1960-х Рефсдал зайнявся моделями внутрішньої будови зірок та їх еволюції. Широко цитуються його статті про пізні етапи еволюції зірок. У 1979 році Рефсдал і його аспірант Кенге Чанг (Kyongae Chang) опублікували в Nature піонерську роботу з ефекту мікролінзування, в якому роль гравітаційної лінзи грають окремі зірки і навіть планети. Цей ефект може застосовуватися для вирішення найрізноманітніших завдань: від відкриття позасолнечных планет до вивчення детальної структури квазарів.

Сюр Рефсдал був членом Норвезької академії наук і літератури. У 2001 році за видатні дослідження йому була вручена премія Нансена, а в лютому 2005-го він був нагороджений норвезькою Королівською медаллю «За заслуги». Рефсдал помер після тривалої хвороби 29 січня 2009 року. У нього залишилися двоє дорослих синів, Томас і Гуннар Рефсдали.

За матеріалами Вікіпедії, Гамбурзької обсерваторії та Інституту астрофізики в Осло

Фото з сайту mn.uio.no

[1] arXiv:1510.05750.

[2] arXiv:1511.04093.

[3] arXiv:1512.04654.

[4] arXiv:1512.05734.