В 1979 году группа астрономов из США и Великобритании (Д. Уэлш, Р.Ф. Косвелл и Р.Дж. Вейманн) получила спектры компонентов двойного квазара QSO 0957+561, удаленного от Земли на трудновообразимое расстояние - 8 миллиардов световых лет. Свет квазаров покинул их еще тогда, когда никакой Солнечной системы и в помине не было (сейчас нашли объекты и подальше). Анализ спектров и значений красного смещения поверг астрономов в недоумение: в пределах точности измерений они были полностью идентичны! Первое, что пришло в голову - наверное, это система из двух однородных объектов, такие 'близнецы' иногда встречаются на просторах Вселенной. Однако дальнейшие наблюдения и вовсе поставили ученых в тупик - колебания яркости (а для квазаров это характеристика уникальная, да еще и практически необъясненная) происходили с запаздыванием в 1 год, в точности повторяя друг друга! Никакой схожестью параметров такое запаздывание не объяснялось.

Единственное разумное объяснение состояло в том, что на самом деле мы видим два изображения одного и того же объекта - квазара QSO 0957+561, просто на пути световых лучей находится массивный объект, гравитационное воздействие которого и создало настоящий космический мираж. Длительные и кропотливые поиски привели к обнаружению небольшой эллиптической галактики, удаленной от Земли на 3 миллиона световых лет. Именно она и была той самой 'линзой'. Так как галактика немного (по космическим меркам) смещена в сторону от линии 'Земля-квазар', ход лучей в системе несимметричен: фотоны, огибающие галактику с разных сторон, должны проходить разные пути, разница которых и составляет, как вы уже догадались, около светового года.

А теперь вернемся в начало ХХ века. Среди теоретических предсказаний Альберта Эйнштейна, высказанных им в ходе работ над общей теорией относительности (1916 г.) эффект искривления луча света в поле тяготения массивного тела был наиболее спорным. С точки зрения классической физики гравитация могла воздействовать только на объекты, обладающие массой. Когда речь шла об обычных астрономических расчетах, небесная механика, оперирующая именно массивными планетами, звездами, астероидами и прочими космическими скитальцами, вполне удовлетворительно все объясняла. Но что такое луч света? Это ведь электромагнитная волна, к гравитации никакого отношения не имеющая.

Даже революция в физике, произошедшая на стыке веков (работы Макса Планка, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля и других выдающихся ученых, приведших к появлению квантовой механики), не убедили астрономов в том, что эффект Эйнштейна можно обнаружить. Справедливости ради стоит отметить, что впервые идею об изменении хода световых лучей под воздействием тяготения высказал великий французский естествоиспытатель и философ Пьер-Симон Лаплас в конце: XVIII века! Основываясь на представлениях ньютоновской механики (это сейчас мы знаем, что она неприменима для сильных гравитационных полей), он, тем не менее, пришел к совершенно правильным выводам. Так, Лаплас утверждал, что существуют звезды огромной массы и плотности, порождающие настолько сильное притяжение, которое не может преодолеть даже свет! Не правда ли, что-то напоминает? Да-да, вы не ошиблись, речь идет именно о 'черных дырах'!

Но вернемся к Эйнштейну. Он рассчитал, что луч света, проходя у края Солнца, под действием гравитации должен отклониться менее чем на 2 угловые секунды (точнее, на 1,75). В начале XX века астрономия и астрофизика уже располагали достаточно точными инструментами для определения такого малого смещения (2/3600 градуса). Да вот беда - зафиксировать свет от далекой неяркой звезды вблизи солнечного диска очень непросто, сияние солнечной короны гораздо сильнее. Поэтому увидеть такие звезды можно только в одном случае - когда солнечный диск закрыт Луной, то есть во время полного солнечного затмения. Группа английских астрономов во главе с Артуром Эддингтоном отправилась в Южную Африку, где 29 мая 1919 года и должно было произойти это замечательное явление. В результате измерений А. Эддингтон получил значение 1,98', то есть расхождение с теоретическим значением составило чуть более 13%! Нельзя сказать, что Артур Эддингтон был ярым сторонником общей теории относительности, но полученный результат говорил сам за себя.

Парадоксально, но для того, чтобы понять механику явления в принципе, вовсе не обязательно прибегать к умопомрачительной математике общей теории относительности. Просто надо взять на вооружение принцип дуализма 'волна-частица', сформулированный Луи де Бройлем, и соотношение Планка, определяющее энергию фотона. Согласно принципу де Бройля мы можем сопоставить фотону как частице электромагнитной волны с частотой ν фотон как частицу с массой m, которая равна

m=ħν/c²

где ħ - постоянная Планка, ν - частота света, с - скорость света.

Фотон как частица с массой m может взаимодействовать с большим телом массой М по знакомому всем закону всемирного тяготения. С помощью несложных дифференциальных уравнений рассчитывается траектория движения фотона, то есть можно сравнительно просто определить и угол отклонения светового луча! Но следует учесть, что такой качественный расчет на основе элементарных сведений из классической механики позволяет получить лишь оценку эффекта, никоим образом его не объясняя, и, следовательно, ни о каких точных расчетах и речи быть не может.

А теперь давайте представим себе, что Солнце лежит точно на линии, соединяющей Землю и удаленную звезду. Что произойдет в этом случае? Очевидно, что световые лучи, проходящие достаточно близко от края Солнца, изменят свою траекторию и соберутся в некоторой точке - 'фокусе' гравитационной линзы, в роли которой выступает Солнце. Если к тому же в этот момент будет происходить полное затмение, то это значит, что в центре темного диска вдруг вспыхнет яркая звездочка! Понятно, что без затмения увидеть ее на фоне Солнца просто невозможно. Оказывается, что такой сногсшибательный эффект для нас, жителей Земли, просто невозможен из-за того, что масса Солнца не настолько велика. Расчеты показывают, что точка 'фокуса' солнечной 'линзы' находится гораздо дальше, далеко за пределами нашей системы, на расстоянии 550 астрономических единиц (напомним, что 1 астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца).

Можно было бы ожидать, что таких 'линз' при обилии звезд в Галактике и вообще в видимой Вселенной должно быть очень много. Однако статистический анализ дал неутешительные результаты: вероятность обнаружения эффекта 'гравитационной линзы' крайне мала. К такому выводу пришел и астроном Фриц Цвикки, но в 1937 году ему пришла в голову блестящая идея: 'А что если роль линз будут играть не только отдельные звезды, но и галактики?'. Ведь тогда пространственные размеры областей проявления эффекта, угловые расстояния между изображениями источника и гравитационной линзой увеличиваются до такой степени, что оказываются в пределах разрешающей способности телескопов.

Как же проявляется эффект? Если относительная конфигурация источника, объекта-'линзы' (в этой роли могут выступать целые галактики) и наблюдателя на Земле проста, то есть все вышеперечисленное находится на одной прямой, то мы увидим вокруг центральной галактики-'линзы' светящееся кольцо! Это лучи от очень далекого источника, проходя у края галактики, меняют направление движения и создают световой конус, в вершине которого находится Солнечная система. Но стоит немного сдвинуться с 'оптической' оси, как кольцо распадается на отдельные сегменты-дуги. Согласитесь, что такая ситуация встречается гораздо чаще, хотя бы в силу того, что их плотность во Вселенной невелика.

Еще чаще конфигурация объектов совсем неблагоприятна - тогда изображения далеких объектов распадаются на отдельные части. Самый знаменитый объект подобного рода -- 'крест Эйнштейна', квазар КЗО 2237+0305, удаленный от нас на 8 миллиардов световых лет. Изображение квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними - линзирующая галактика, расположенная в 20 раз ближе. 'Крест Эйнштейна' был открыт в 1984 году сотрудниками обсерватории Уиппл (США), проводившими рутинные исследования спиральной галактики 2237+0305. Неожиданно практически в центре ученые обнаружили изображение квазара, расположенного гораздо дальше галактики. У всех на слуху было открытие Д. Уэлша, Р.Ф. Косвелла и Р.Дж. Вейманна, поэтому астрономы оценили обнаруженный объект как весьма вероятного кандидата на роль 'гравитационной линзы' - все объекты находятся практически на одной линии. Окончательное подтверждение догадки было получено только через три года, когда к исследованиям подключилась обсерватория Мауна-Кеа на Гавайских островах, располагающая 3,6-метровым телескопом-рефлектором. На полученных снимках видны 4 симметричных изображения квазара, отстоящие менее чем на 2 угловые секунды. Такая близость изображений не позволила получить спектры компонентов, это удалось сделать только через 5 лет. Измерения показали тождественность эмиссионных спектров всех четырех объектов.

За прошедшие 20 с небольшим лет тема 'гравитационных линз' превратилась из интересного следствия ОТО (Общей Теории Относительности) в инструмент, на который возлагаются самые большие надежды. Так, с 1979 года число научных работ, посвященных различным аспектам исследований этого замечательного явления, выросло в 3 раза! И в самом деле, более грандиозного 'телескопа' (если под ним понимать объект, способный изменять ход световых лучей) человечество даже в отдаленном будущем не построит. Поэтому о колоссальных возможностях, которые могут дать такие космические телескопы, сегодня можно только догадываться. Но и того, что мы знаем сегодня, вполне достаточно для того, чтобы захватило дух!

Идея галактических 'гравитационных линз', выдвинутая Фрицем Цвикки, оказалась весьма плодотворной. Очевидно, что мощные (то есть массивные и сравнительно компактные по космическим меркам) 'линзы' могут усиливать излучение таких далеких объектов, которые в обычных условиях невидимы. Достаточно часто 'миражи' могут помочь уточнить внутреннее строение галактики-'линзы'. Так, в конце 1997 года американский астроном М. Хокинс, проанализировав результаты изучения восьми пар изображений квазаров, обнаружил, что только в двух случаях удалось обнаружить галактические системы, отклоняющие свет. А остальные? М. Хокинс предположил, что в этих парах гравитационными линзами выступают галактики, лишенные звезд и состоящие только из невидимого газа! Говоря другими словами, мы имеем дело с зародышами обычных галактик.

Да и с обычными галактиками далеко не все ясно. Дело в том, что некоторые галактики 'преломляют' лучи света от удаленных источников не так, как им следовало: их гравитационное воздействие гораздо сильнее, чем это должно быть по оценкам видимого вещества (то есть звезд и звездных скоплений, газовых и пылевых туманностей и т.д.). Значит, в галактиках есть некие ненаблюдаемые компоненты, обладающие значительной массой. Отсюда один шаг до поисков скрытого (астрономы называют его 'темным') вещества, учет которого (а он может достигать 90-97% общей массы Вселенной) может пролить свет на космологическую концепцию Вселенной в целом: будет ли она вечно расширяться, постепенно остывая, или же фаза расширения сменится фазой сжатия?

А ведь есть еще и другие экзотические объекты, способные сдвинуть световые лучи с 'пути истинного', притом обладающие сверхсильными гравитационными полями, в корне меняющими физику и геометрию пространства в прилежащих областях. Это, конечно, 'черные дыры' и космические струны, обладающие колоссальной плотностью вещества и, стало быть, тоже вносящие свой (и немалый) вклад в общую массу Вселенной. Кроме того, анализ изображений, созданных гравитационными линзами, поможет получить информацию о крупномасштабных свойствах космического пространства, о такой фундаментальной космологической величине, как постоянная Хаббла (и соответствующий ей возраст Вселенной).

Известный фантаст Артур Кларк однажды заметил, что 'техника будущего будет казаться нам волшебством'. Мы ищем обломки кораблей инопланетян, раскапываем архивы в надежде найти свидетельства загадочных событий, словом, изо всех сил ищем доказательства того, что мы не одиноки в космической пустыне. Но можно ли судить о достижениях сверхцивилизации, развивающейся уже миллионы лет (а мы - всего 100 тысяч) с позиций современной науки и техники? Может быть, 'гравитационные линзы' и есть эти самые следы, свидетельства могущества разума, неотличимого от законов природы?