QSO 0957+561 A,B
ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИН
В середине 1979 года были открыты два
близко расположенных и необычайно похо-
жих квазара. Интенсивные исследования
этих квазаров, проводившиеся во многих
обсерваториях мира, позволили сделать вы-
вод о том, что во Вселенной обнаружена
первая гравитационная линза.
В течение последних десятилетий разви-
тие науки о Вселенной происходило очень
быстрыми темпами. Достаточно вспомнить
об открытии реликтового излучения, кваза-
ров, пульсаров (см. «Наука и жизнь» № 8,
1978 г. и № 10, 1980 г.). Современные аст-
рономические приборы дают нам возмож-
ность заглянуть далеко в глубь Вселенной,
непосредственно увидеть, что происходило
в прошлом, поскольку сигналы, приходящие
от очень удаленных объектов, возникли мил-
лиарды лет назад. Изучение космических
объектов принесло уже немало сюрпризов,
один из последних — открытие гравитацион-
ной линзы.
В середине 1979 года внимание астрофи-
зиков всего мира привлекло открытие пары
близких и чрезвычайно похожих квазаров.
Интенсивные исследования этого уникалыю-
• НАУКА. ВЕСТИ
С ПЕРЕДНЕГО КРАЯ
28
го объекта, продолжавшиеся более года,
позволили сделать вывод о том, что во Все-
ленной обнаружена гравитационная линза,
явление никогда ранее не наблюдавшееся.
Для того, чтобы понять, что собой пред-
ставляет такая линза и как была выявлена,
полезно вспомнить об истории открытия
квазаров и о некоторых свойствах этих да-
леких космических объектов.
В пятидесятых годах, когда началось
строительство больших радиотелескопов,
астрономы приступили к радионаблюдениям
всего неба, замеряя в каждом его участке
интенсивность приходящих радиоволн. При
этом были обнаружены области, от которых
приходит довольно сильное радиоизлучение.
Вначале думали, что это излучение генери-
руется какими-то звездами. Однако боль-
шинство звезд очень слабо излучает в ра-
диодиапазоне, и, кроме того, ни один такой
сильный источник излучения не удавалось
отождествить со звездой. Тогда новым не
видимым в оптическом диапазоне объектам
было дано название «радиоисточники».
Проблем? природы этих объектов приоб-
рела особую остроту в начале шестидесятых
годов, когда из 3-го Кэмбриджского ката-
лога радноисточников выделили несколько
излучающих областей с размерами меньши-
ми одной угловой секунды. Их попытались

Фотография двойного квазара QSO 0957+
561 А, В, полученная советскими астроно-
мами на шестиметровом телескопе в Спе-
циальной астрофизической обсерватории
АН СССР. Как принято в астрономических
публикациях, здесь приводится негатив фо-
тоснимка, и поэтому ночное небо оказалось
светлым, а сами звездные объекты — чер-
ными.
отождествить с оптическими точечными ис-
точниками, с объектами, выглядящими как
звезды, в отличие от несколько размытых
галактик. Впервые это удалось сделать для
радиоисточника ЗС 48, положение которого
совпало с положением очень слабой звез-
дочки. Самым неожиданным оказалось то,
что спектр ее был не похож ни на спектры
звезд, ни на известные спектры галактик.
А отсюда следовал довольно простой вы-
вод: загадочный источник радиоизлучения
не мог быть ни звездой, ни обычной галак-
тикой.
Разрешение загадки пришло неожиданно.
В 1962 году положение и угловые размеры
неотождествленного с оптическим объектом
радноисточника ЗС 273 удалось определить
с точностью до одной сотой угловой секун-
ды. Оказалось, что ЗС 273 состоит из двух
компонентов. Положение одного из них сов-
пало с довольно яркой звездочкой, а второй
Предполагают, что они скорее всего явля-
ются ядрами галактик, находящихся на ак-
тивной стадии эволюции. В квазарах про-
исходят бурные физические процессы, и с
этим связана их аномально высокая свети-
мость, в тысячи .раз превышающая свети-
мость обычных, спокойных галактик. Кроме
того, квазары обладают необычными спект-
рами, не похожими на спектры звезд и спо-
койных галактик, и параметры квазаров (в
частности, потоки излучения в определенных
полосах частот) сильно изменяются со вре-
менем. Сейчас уже открыто около шестисот
квазаров, и все они имеют довольно боль-
шие красные смещения z. Найдены, в част-
ности, квазары, у которых z « 3—3,5.
Красное смещение спектров квазаров свя-
зано с доплеровским эффектом. Хорошо
известно, что если источник излучения уда-
ляется от наблюдателя, то квант света с оп-
ределенной длиной волны, испущенный им,
будет приниматься наблюдателем несколько
смещенным в красную сторону, то есть дли-
на волны принятого кванта превысит длину
волны испущенного. К моменту открытия
квазаров красное смещение спектров кос-
мических объектов было уже хорошо изве-
стным явлением. Еще в 1929 году американ-
ский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что
спектры большинства галактик смещены в
красную область. Он предположил, что это
ЗА ВО ВСЕЛЕННОЙ
В. МУХАНОВ,
аспирант
МФТИ
компонент был отождествлен с исходящим
из звездочки выбросом, едва видимым на
фотографиях. Спектр самой звезды содер-
жал неизвестные линии излучения. Голланд-
ский астроном М. Шмидт предположил, что
это спектральные линии известных химиче-
ских элементов, очень сильно смещенные в
сторону длинных волн, как принято гово-
рить, в красную сторону. Он делил каждую
наблюдаемую «загадочную» длину волны на
число 1 + z (число z называют красным
смещением) и подбирал z таким образом,
чтобы эти длины волн, деленные на 1 + z,
совпали со спектральной серией какого-либо
из известных химических элементов. Шмид-
ту удалось идентифицировать ряд линий в
оптическом спектре ЗС 273 с определенными
линиями в спектре водорода. Красное сме-
щение для этих линий оказалось равным
0,16. С чем связано красное смещение z и
что означает его величина, будет объяснено
несколько позже.
Обнаруженные источники нового типа
стали называть квазизвездными объекта-
ми, или, более коротко, квазарами.
С момента открытия первых квазаров
прошло уже около двадцати лет. Хотя мно-
жество загадок, связанных с этими уникаль-
ными объектами, еще не разгадано, тем не
менее астрофизики продвинулись далеко
вперед в понимании природы квазаров.
связано с разбеганием галактик. Наблюде-
ния показали, что скорость убегания какой-
либо галактики от нас прямо пропорцио-
нальна расстоянию до нее, то есть более
удаленные объекты обладают большими от-
носительными скоростями. Открытие Хаббла
дало наблюдательные обоснования для кон-
цепции расширяющейся Вселенной, теорети-
чески предсказанной советским физиком
А. А. Фридманом в 1922 году.
Измерение красного смещения позволяет
определять расстояние до наиболее удален-
ных объектов в космосе в тех случаях, ког-
да другие методы для этого непригодны.
В частности, таким методом измеряют
расстояния до квазаров. Большое красное
смещение подавляющего большинства ква-
заров связано с их огромными скоростями
(обычно десятки процентов от скорости
света) и свидетельствует о том, что эти
квазары находятся на очень больших рас-
стояниях от нас, вплоть до нескольких мил-
лиардов световых лет. То, что мы видим
квазары на таких огромных расстояниях,
говорит, что это не только наиболее удален-
ные из наблюдаемых, но и наиболее яркие
космические объекты.
В марте 1979 года американские астроно-
мы Волш, Карсвелл и Вейман нашли экзо-
тическую пару квазаров, расстояние между
которыми составляет всего шесть угловых
29

секунд (это примерно три тысячных види-
мого диаметра полной Луны). Столь малое
расстояние уже само по себе кажется уди-
вительным, так как все известные квазары
распределены на небе более или менее рав-
номерно, и среднее расстояние между ними
составляет несколько градусов (около деся-
ти диаметров Луны). Найденной паре ква-
заров было присвоено название QSO
0957 + 561 А, В. Цифры в этом названии
обозначают координаты, а буквы А и В на-
поминают, что такие координаты имеют сра-
зу два квазара. Из-за близости компонентов
А и В'объект QSO 0957 + 561 А, В стали
называть просто «двойным квазаром».
Красные смещения компонентов А и В в
эмиссионных линиях их спектров оказались
одинаковыми и равными 1,41. Напомним,
что эмиссионные линии обычно образуются
непосредственно в источнике излучения при
переходах электронов в атомах с более вы-
соких энергетических уровней на более низ-
кие. Одинаковость красных смещений озна-
чает, что оба квазара находятся на одном
и том же расстоянии от нас и удаляются с
одной и той же скоростью — для измеренно-
го z = 1,41 эта скорость составляет
70,7% от скорости света.
Детальное сравнение спектров компонен-
тов А и В «двойного квазара» еще больше
удивило астрономов. Спектры даже в дета-
лях оказались необычайно похожими. Во
всяком случае, среди всех изученных спект-
ров квазаров не найдется двух настолько
же похожих. И поэтому возникло предполо-
жение, что на самом деле мы видим не два
различных квазара, а один, изображение
которого расщеплено гравитационной лин-
зой.
Согласно общей теории относительности
луч света в неоднородном гравитационном
поле искривляет свою траекторию. Справед-
ливость этого следствия эйнштейновской те-
ории была блестяще подтверждена наблю-
дениями, в которых определялось отклоне-
ние световых лучей некоторых звезд Солн-
цем. Возникновение гравитационной линзы
целиком связано с искривлением траекторий
световых лучей в гравитационных полях.
На возможность существования таких линз
указывал еще Эйнштейн. Он рассмотрел
возможность образования гравитационных
линз звездами нашей галактики и нашел,
что в этом случае эффект будет чрезвычай-
но слабым и практически недоступным для
наблюдений.
Возможность обнаружить- гравитацион-
ную линзу реально появилась лишь в пос-
леднее время, в основном благодаря совер-
шенствованию техники для достаточно под-
робного исследования объектов, располо-
женных на расстояниях в миллиарды све-
товых лет. Предположим, что свет от како-
го-либо источника, например, квазара К (см.
рис. 1 на цветной вкладке), воспринимается
наблюдателем Н, находящимся на Земле.
Предположим также, что между квазаром
и Землей вблизи прямой КН расположен
очень компактный объект М с сильным
гравитационным полем, например, черная
дыра с большой массой. Если бы этого объ-
екта не было, свет на Землю приходил бы
по прямой КН и давал бы, естественно, од-
но изображение квазара. Грубо говоря, в
этом случае из всех лучей, испущенных ис-
точником К, мы видели бы лишь луч 1.
В гравитационном поле массивного объек-
та М свет будет отклоняться. В частности,
невидимый ранее луч 2 отклонится на угол
а 2 и придет к наблюдателю. Наблюдатель,
ничего не зная об искривлении световых лу-
чей источника К в гравитационном поле
объекта М, будет считать, что видит неко-
торый источник K2t свет от которого, как
обычно, приходит к нему по прямой. Анало-
гично луч 3 создает иллюзию существования
на небосводе источника К з. Все другие лучи
(в частности и луч 1, отклоненный гравита-
ционным полем) пройдут мимо наблюдате-
ля. В итоге наблюдатель увидит два изобра-
жения Кг и.Кз одного квазара К.
Пока мы рассматривали двумерную, плос-
кую картину. Она очень хорошо отражает
реальную ситуацию, если объект М нахо-
дится достаточно далеко от прямой КН:
в этом случае все лучи, не лежащие в плос-
кости, проведенной через К, М и Н, прохо-
дят мимо наблюдателя и их можно не учи-
тывать. Если же тело М, отклоняющее свет,
находится точно на прямой КН, то линза
получается симметричной относительно оси
КН (нет выделенной плоскости) и изобра-
жение источника представляет собой равно-
мерно светящееся кольцо (рис. 2 на вклад-
ке). По мере смещения объекта М с пря-
мой КН кольцо деформируется, появляют-
ся более слабые и более яркие участки, а
при заметной асимметрии линзы различие
яркости этих участков усугубляется на-
столько, что в итоге наблюдатель Н видит
два практически точечных изображения.
Теперь, когда мы познакомились с устрой-
ством гравитационной линзы, можно вер-
нуться к рассказу о наблюдениях квазара
QSO 0957 + 561 А, В.
Важным шагом для анализа гипотезы
гравитационной линзы должны были стать
наблюдения «двойного квазара» не только в
оптическом диапазоне, но и в других участ-
ках спектра, в частности в радиодиапазоне.
Радионаблюдения объектов QSO 0957 +
561 А, В были проведены в июле 1979 года
на телескопе VLA американскими радиоаст-
рономами Робертсом, гринфилдом и Бёрке.
Этот радиотелескоп состоит из 27 антенн,
каждая диаметром в 25 метров. Он позволя-
ет разделить объекты, находящиеся на рас-
стоянии всего в 0,6 угловых секунд, то есть
разрешающая способность телескопа, как и
других современных радиоастрономических
систем (см. «Наука и жизнь» № 4 1977),
лучше, чем у самых крупных оптических
телескопов. Наблюдения показали, что ра-
диоисточники вблизи QSO 0957 + 561 А, В
имеют сложную структуру и занимают до-
вольно большую область—до 12 угловых
секунд (см.рис. 3 на цветной вкладке;это—
обработанное компьютером изображение,
полученное на телескопе VLA; разными цве-
тами показаны области с разной интенсив-
ностью излучения на волне длиной около
6 см: наибольшей интенсивности соответст-
вует белый цвет, затем в порядке убывания
30

йзг
раженив I
Действительное
положение
квазаре
Мнимое
ивобранение II
Мнимое
воображение III
интенсивности следуют фиолетовый, голу-
бой, синий, желтый, красный, зеленый, чер-
ный; фотография напечатана в журнале
«Scientific American»).
В этой структуре можно выделить четыре
ярко выраженных компонента, причем
компоненты А и В можно отождествить с
оптическими изображениями «двойного ква-
зара».
На первый взгляд радионаблюдения под-
тверждают предположение о том, что QSO
0957+561 А, В — результат действия гра-
витационной линзы: радноизображение
«двойного квазара» приблизительно соответ-
ствует его оптическому изображению, кото-
рое было интерпретировано как раздвоенное
линзой. Но, с другой стороны, есть неболь-
шое различие в радиоизображениях самих
компонентов А и В, а кроме того, вблизи В
нет какой-либо структуры, аналогичной об-
ласти R, найденной вблизи А. Эти различия
трудно совместить с простой моделью гра-
витационной линзы. Было, наконец, еще од-
но сомнение. Роберте и его коллеги проана-
лизировали теорию гравитационной линзы,
считая, что объект, отклоняющий световые
лучи (объект М), очень компактный. В этом
случае ничтожно мала вероятность образо-
вания гравитационной линзы, дающей соиз-
меримую яркость обоих компонентов. Ре-
ально же в период наблюдений яркость
компонентов А и В была приблизительно
одинаковой, она различалась всего на
20 процентов.
С учетом всего этого группа Робертса
пришла к выводу, что скорее всего QSO
0957 + 561 А, В представляет собой пару
разных физически связанных квазаров
(скажем, они гравитационно взаимодейст-
вуют и имеют общее газовое облако), ко-
торые находятся на расстоянии 200 тысяч
световых лет друг от друга.
Мы знаем, что звезды и галактики мо-
гут образовывать двойные системы. Может
ли QSO 0957 + 561 А, В быть первой най-
денной двойной системой квазаров? Если
разные физически связанные квазары обра-
зовались и эволюционировали в одинаковых
условиях, то нет ничего удивительного в
идентичности их спектров. Во всяком слу-
чае, для объяснения такой идентичности чс
обязательно привлекать гипотезу гравита-
ционной линзы. Гипотеза физически связан-
ной пары разных квазаров была подверг-
нута детальному рассмотрению, и при этом
столкнулись с огромными трудностями.
Как и у многих других квазаров, спектр
QSO 0957 + 561 А, В наряду с линиями из-
лучения имеет также ярко выраженные ли-
Земля
==^Г^	Imi Галактика	H^/c
f.	T_1=r-—=т--	~W			""V
Если гравитационная линза создается доста-
точно протяженной массивной областью,
например, галактикой, то лучи, исходящие
от квазара, могут искривиться так, что на-
блюдатель увидит три мнимых изображе-
ния.
нии поглощения, то есть в достаточно узком
диапазоне вблизи некоторых длин волн рез-
ко ослаблена интенсивность излучения по
сравнению с тепловым спектром. Подобные
линии обычно связаны с поглощением излу-
чения в облаках холодного газа на пути
между квазаром и нашей галактикой. Крас-
ное смещение всех линий поглощения в
спектрах обоих компонентов А и В «двой-
ного квазара» оказалось одинаковым—
оно равно 1,39. Эта величина очень близка
к красному смещению эмиссионных линий,
которое, как уже говорилось, тоже одина-
ково и равно 1,41. Близость красного сме-
щения для линий поглощения (поглощаю-
щий газ) и излучения (сам объект) указы-
вает на то, что поглощение происходит в
газовом облаке, которое находится вблизи
QSO 0957 + 561 А, В. Одинаковость крас-
ного смещения в линиях поглощения ком-
понентов А и В «двойного квазара» чрез-
вычайно трудно объяснить в рамках гипо-
тезы о физически связанной паре квазаров.
В середине 1979 года в вопросе о приро-
де объекта QSO 0957 + 561 А,В сложилась
конфликтная ситуация. Астрономы, работа-
ющие на оптических телескопах, полагали,
что этот объект представляет собой пер-
вую найденную гравитационную линзу, в
то время как радиоастрономы считали, что
с большей вероятностью «двойной ква-
зар» — пара разных квазаров. Окончатель-
ный ответ на вопрос о том, что же на са-
мом деле есть QSO 0957+561 А, В, могли
дать только дальнейшие наблюдения.
Гравитационная линза создается массив-
ным объектом М, отклоняющим световые
лучи, и, если линза действительно сущест-
вует, мы в принципе должны были бы ви-
деть этот объект. Первый и наиболее ес-
тественный кандидат на роль массивного
объекта М — какая-либо галактика, и по-
этому дальнейшие усилия астрономов были
направлены на поиски этой гипотетической
галактики. Искать ее с помощью оптиче-
ских телескопов чрезвычайно трудно: если
галактика находится на полпути между на-
ми и квазаром, то ее изображение на фо-
тографиях будет очень слабым и галактику
трудно будет обнаружить рядом с более яр-
кими квазарами. Первая серия наблюдений
31

оказалась безрезультатной: нужную га-
лактику найти не удалось.
Однако вскоре исследования группы аст-
рофизиков из Хэйловской обсерватории, ис-
пользовавших самую современную аппара-.
туру, увенчались успехом. Оказалось, что
на удалении в 0,8 угловой секунды от ком-
поненты В расположена галактика с крас-
ным смещением z«0,4, ее сейчас доволь-
но часто называют линзовой галактикой. По
величине красного^ смещения определили
расстояние до линзовой галактики и ее све-
тимость. Оказалось, что галактика распо-
ложена приблизительно на полпути между
нами и квазаром и ее светимость в 2* 10й
раз больше солнечной, что вполне согла-
суется со светимостью типичных гигантских
эллиптических галактик. Было также най-
дено скопление галактик, в которое, види-
мо, входит линзовая галактика.
Сложные математические расчеты грави-
тационных линз, образованных галактикой
и скоплением, показывают, что из-за до-
вольно больших размеров линзовой галак-
тики может появиться три, пять и даже
большее число изображений квазара (см.
рис. на стр. 31). В частности, для QSO
0957 + 561 А, В должно существовать три
изображения. При этом компонент В ско-
рее всего состоит из двух очень близких
изображений, которые на фотографиях сли-
ваются. Бели со временем удастся обнару-
жить у компоненты В два отдельных фраг-
мента, то сомнений в существовании гра-
витационной линзы уже, видимо, не оста-
нется ни у кого.
Гравитационная линза, образованная га-
лактикой, позволяет также интерпретиро-
вать радионаблюдения QSO 0957+561 А, В.
Небольшое отличие в радиоизображениях
компонентов А и В может создавать лин-
зовая галактика, которая сама является
радиоисточником и несколько искажает ра-
дионзображение компонента В. Что же ка-
сается асимметрии всей наблюдаемой ра-
диоструктуры, то ее можно понять, исходя
из асимметрии гравитационной линзы, об-
разованной галактикой и скоплением га-
лактик.
Итак, к концу 1979 года были получены
веские доказательства в пользу существо-
вания гравитационной линзы. Дальнейшие
ее исследования проводились во многих об-
серваториях мира, причем квазары наблю-
дались также в инфракрасном и ультра-
фиолетовом диапазонах. Было получено
множество дополнительных результатов,
свидетельствующих в пользу гравитацион-
ной линзы.
В нашей стране на протяжении полутара
лет на шестиметровом оптическом телеско-
пе в САО (Специальная астрофизическая
обсерватория АН СССР, станица Зеленчук-
ская) советские астрофизики Г. Бескин,
О. Неизвестный и В. Шварцман провели
большую работу по изучению переменности
компонентов «двойного квазара». Извест-
но, что в квазарах происходят бурные фи-
зические процессы и их светимость со вре-
менем изменяется. Если QSO 0957 + 561
А, В — это два изображения одного ква-
32
зара, то должна быть взаимосвязь меж-
ду изменением яркости компонентов А и
В. Так, например, изменение яркости ком-
понента А может в точности повторять из-
менение яркости компонента В, но с неко-
торой задержкой At. Эта временная за-
держка связана с тем, что свет, образую-
щий различные изображения квазара, до-
ходит до нас по разным путям (КтгН,
КгпзН; см. рис. на цветной вкладке). Во-пер-
вых, неодинакова сама длина этих путей, а
во-вторых, они проходят на разных рас-
стояниях от объекта М, то есть в гравита-
ционных полях разной интенсивности. А как
известно из общей теории относительности,
эффективная скорость света зависит от
гравитационного поля, в котором он рас-
пространяется. Теоретические расчеты по-
казывают, что наиболее вероятная величи-
на At находится в интервале от месяца до
двух лет. Наблюдения переменности «двой-
ного квазара», проводимые в САО, чрез-
вычайно важны: обнаружение взаимосвязи
в изменениях яркости компонентов А и В
неопровержимо докажет, что изображение
QSO 0957 + 561 А, В создано гравитацион-
ной линзой, так как ничем другим нельзя
будет объяснить синхронность' изменений
яркости компонентов. Кроме того, такие
наблюдения помогут определить некоторые
неизвестные параметры линзы.
Астрофизики САО обнаружили, что к но-
ябрю 1980 года компоненты А и В «поме-
нялись ролями»: если во время наблюдений
в 1979 году компонент А был ярче, чем В,
то в ноябре 1980 года, наоборот, В был
ярче, чем А. Этот факт позволяет сделать
некоторые конкретные заключения о воз-
можных параметрах линзы.
Суммируя все известные факты, уже сей-
час можно довольно уверенно сказать, что
во Вселенной обнаружена первая гравита-
ционная линза. Будет удивительно, если
эти представления о природе объекта
QSO 0957 + 561 А, В радикально изменят-
ся. Любопытно отметить, что до самого
недавнего времени этот объект был един-
ственным кандидатом на роль гравитацион-
ной линзы. Но совсем недавно был найден
«тройной квазар» PG 115+08 А, В, С, ко-
торый, возможно, также «создан» гравита-
ционной линзой. Действительно ли это так,
покажут дальнейшие исследования.
Открытие гравитационных линз непосред-
ственно свидетельствует, что общая теория
относительности применима для описания
всей Вселенной так же хорошо, как и для
явлений внутри Солнечной системы. Это
открытие также еще раз доказывает, что
квазары находятся от нас на расстояниях
в миллиарды световых лет. Кроме того,
гравитационные линзы дают новый метод
для определения важнейших космологиче-
ских параметров, таких, как постоянная
Хаббла — коэффициент пропорционально-
сти между скоростью убегания объекта и
расстоянием до него.
А еще открытие «двойного квазара»
QSO 0957 + 561 А, В и быстрое выяснение
его природы наглядно продемонстрировало
огромные технические возможности совре-
менной астрономии.

м 'к
'3 7
КАЖУЩЕЕСЯ
ИЗОБРАЖЕНИЕ
КВАЗАРА К
КАЖУЩИЕСЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
КВАЗАРА К
КАЖУЩИЕСЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
КВАЗАРА К
9 $
О