Дежавю сверхновой Рефсдала, или Назад в будущее

Дмитрий Вибе, астрохимик, зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН

Чтобы сделать объектив традиционного телескопа, необходимы стеклянная линза или вогнутое зеркало, способные отклонять и фокусировать свет. Но обязательно ли делать телескоп из какого-то материала? Нет, если использовать преломляющие свойства гравитации. Гравитация тоже способна искривлять световые лучи, поэтому неудивительно, что массивные объекты проявляют себя как необычные линзы, отклоняющие, а иногда и фокусирующие излучение более далеких источников. Известно уже много примеров того, как относительно близкая галактика (или скопление галактик) настолько усиливает излучение намного более далекой галактики, что та становится доступным для наблюдений объектом.

Гравитационная линза в этом случае выступает в роли своеобразной приставки к земному телескопу. Правда, природа нимало не заботится о том, чтобы обеспечить правильное устройство этой линзы, поэтому «увеличенные» ею изображения часто оказываются сильно искаженными или даже распадаются на несколько отдельных изображений. Известными примерами таких размноженных изображений являются квазары Крест Эйнштейна и Лист Клевера.

Гравитационное линзирование не только позволяет наблюдать далекие объекты, которые без него были бы слишком тусклыми для современных телескопов, но и помогает независимо определять космологические параметры. Анализируя линзированные изображения, можно также больше узнать и о самой линзе, например выяснить, как в ней распределено вещество.

В 1964 году норвежский астрофизик Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) опубликовал короткую работу, в которой предсказал, что особенно удобным инструментом для решения подобных задач являются наблюдения линзированных сверхновых. Свет в разных изображениях линзированного объекта идет к наблюдателю разными путями, имеющими разную длину. Соответственно, если в объекте что-то случилось, например произошла вспышка сверхновой, в разных изображениях мы увидим это событие в разное время.

Рефсдал в своей работе продемонстрировал, как можно определить массу линзы и постоянную Хаббла по разнице времен регистрации одного и того же события в разных изображениях. В принципе, в этих целях можно использовать не только сверхновые, но и любые другие объекты с переменным блеском, например квазары. Но для определения времени задержки по кривым блеска (то есть по зависимости потока излучения от времени) разных линзированных изображений одного квазара требуются довольно длительные наблюдения — это необходимо, чтобы достоверно сравнивать кривые блеска друг с другом. Гораздо удобнее работать с разовыми усилениями яркости, как при вспышках сверхновых.

В марте 2015 года Патрик Келли (Patrick Kelly) с соавторами сообщил в журнале Science о том, что в ноябре 2014-го им удалось при помощи космического телескопа «Хаббл» открыть первую линзированную сверхновую. Звезда вспыхнула в спиральной галактике на красном смещении 1,49.

На пути к земному наблюдателю ее свет проходит вблизи эллиптической галактики из скопления MACS J1149.6+2223 на красном смещении 0,54 и испытывает на ней гравитационное линзирование. В результате мы видим не одно изображение сверхновой, а четыре (безыскусно обозначенные S1, S2, S3 и S4), почти симметрично расположившиеся вокруг эллиптической галактики-линзы. Поскольку это первый случай обнаружения конфигурации, предсказанной Рефсдалом, авторы статьи в Science предложили назвать сверхновую его именем. Дальше начинается самое интересное: изображение родительской галактики сверхновой Рефсдала линзируется не только конкретной эллиптической галактикой, но и всем скоплением MACS J1149.6+2223.

И если эллиптическая галактика строит несколько изображений сверхновой в одном изображении родительской галактики, то скопление в целом размножает изображения уже самой родительской галактики. Сверхновая была видна только в одном из них (оно обозначается как 1.1). Значит, решили авторы, в остальных изображениях сверхновая либо уже угасла, либо еще не вспыхнула.

Со времени выхода статьи Келли с соавторами было опубликовано несколько работ, авторы которых попытались воспроизвести распределение массы в скоплении MACS J1149.6+2223 по наблюдениям линзированной сверхновой. Это весьма сложная задача, так что выводы разных работ довольно значительно отличались друг от друга. В частности, все соглашались с тем, что в четырех изображениях сверхновой временная задержка составляет несколько суток, но конкретные значения задержки и даже «очередность» изображений S1–S4 в разных моделях были разными.

На снимке области скопления галактик MACS J1149.6+2223 кружками обведены три изображения родительской галактики сверхновой Рефсдала. В ноябре 2014 года вспышка проявилась в нижнем изображении. В верхнем изображении ее можно было бы наблюдать много лет назад. В среднем изображении вспышка происходит в данный момент. Фото с сайта www.eso.org

Проанализировав другие изображения родительской галактики (обозначаемые 1.2 и 1.3), авторы всех работ сошлись в том, что в изображении 1.3 вспышка проявилась уже давно — по разным оценкам, от 9 до 17 лет назад. Причем она была слишком тусклой, чтобы ее можно было отыскать на архивных снимках. Иное дело — изображение 1.2. В нем все представленные модели предсказали вспышку сверхновой в самом недалеком будущем (причем некоторые из предсказанных дат уже миновали).

Последние оценки [1–2], основанные на детальном изучении структуры скопления MACS J1149.6+2223 при помощи телескопов VLT, спрогнозировали пик следующей вспышки на март — июнь 2016 года, а начало роста яркости — и вовсе на конец 2015 года.

И ожидания оправдались! С конца октября прошлого года телескоп «Хаббл» время от времени посматривал в направлении изображения 1.2, и наблюдения, проведенные 11 декабря 2015 года, показали, что в нем появилась ожидаемая звездочка! Она возникла именно там, где должна была, хотя и оказалась несколько более тусклой, чем предсказывалось. Интересно отметить высочайшую скорость подготовки статьи: она была выложена в Arxiv через четыре дня после наблюдений [3].

Не остались забытыми и четыре исходных изображения. Весь год телескоп «Хаббл» следил и за ними, что позволило построить для них кривые блеска, существенно уточнив значения времен задержки. Первым (как предсказывали и все предыдущие модели) идет изображение S1. За ним следуют изображения S3 с опозданием примерно в один-два дня и S2 с опозданием на 4–7 дней. Позже всех, с задержкой более чем на три недели, проявляется изображение S4, самое тусклое из всех [4].

Возможность предсказания вспышки сверхновой задолго до ее реального начала привлекла к себе значительное внимание как сбывшееся «классическое» научное предсказание, причем не в небесной механике, где точными предсказаниями никого не удивишь, а в куда менее изученной области. Наблюдения сверхновой Рефсдала, по сути, указывают, что мы выходим на новый уровень предсказательной точности в столь сложной проблеме, как гравитационное линзирование.

Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) — норвежский астрофизик. Родился в Осло 30 декабря 1935 года (в 2015-м ему исполнилось бы 80 лет). С 1967-го по 1970 год занимал позицию адъюнкт-профессора в Университете штата Небраска (США). Там он встретил Альфреда Вайгерта (Alfred Weigert) из Гамбургской обсерватории (Германия), с чего началось их плодотворное сотрудничество в области эволюции звезд, продлившееся до 1980-х годов. В 1970-м Рефсдал получил Ph.D. в Институте теоретической астрофизики Университета Осло. В том же году он стал профессором Гамбургской обсерватории и оставался на этой позиции до ухода на пенсию в 2001-м. После этого он вернулся в родной город, где занимал позицию заслуженного профессора Университета Осло.

С 1964-го по 1970-й Рефсдал опубликовал шесть статей, в которых во многом заложил основы весьма значительной области астрофизики, связанной с изучением гравитационного линзирования. Написанное им намного опережало время, и тогда его статьи очень мало цитировались. Только после открытия первой гравитационной линзы в 1979 году статьи Рефсдала привлекли внимание коллег. Уже в 1964 году он показал, как линзирование может служить инструментом для измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) и массы галактик. Этот метод был назван методом Рефсдала.

В середине 1960-х вместе с группой коллег Рефсдал провел несколько исследований по развитию космологических моделей, которые также стали пионерскими. С конца 1960-х Рефсдал занялся моделями внутреннего строения звезд и их эволюции. Широко цитируются его статьи о поздних этапах эволюции звезд. В 1979 году Рефсдал и его аспирант Кенге Чанг (Kyongae Chang) опубликовали в Nature пионерскую работу по эффекту микролинзирования, в котором роль гравитационной линзы играют отдельные звезды и даже планеты. Этот эффект может применяться для решения самых разнообразных задач: от открытия внесолнечных планет до из-учения детальной структуры квазаров.

Сюр Рефсдал был членом Норвежской академии наук и литературы. В 2001 году за выдающиеся исследования ему была вручена премия Нансена, а в феврале 2005-го он был награжден норвежской Королевской медалью «За заслуги». Рефсдал умер после продолжительной болезни 29 января 2009 года. У него остались двое взрослых сыновей, Томас и Гуннар Рефсдалы.

По материалам «Википедии», Гамбургской обсерватории [5] и Института астрофизики в Осло [6].

Фото с сайта www.mn.uio.no