Семьдесят космических зеркал: как галактики искривляют свет через всю Вселенную

Астрономы обнаружили семьдесят удивительных космических совмещений, в которых гравитация целых галактик искривляет свет, идущий через миллиарды световых лет. В результате возникают странные кольца, светящиеся дуги и множественные изображения объектов, находящихся далеко за пределами нашей Галактики. Некоторые из этих далёких галактик выглядят растянутыми вокруг других, а один и тот же объект может появиться в нескольких местах на одном снимке телескопа.

Эти необычные образования дают учёным возможность изучать части Вселенной, которые иначе было бы чрезвычайно трудно увидеть. Они также могут помочь выяснить, как распределена тёмная материя — невидимое вещество, которое, как считается, составляет примерно восемьдесят пять процентов всей материи, — вокруг галактик.

Открытие было сделано в ходе изучения одной из крупнейших карт Вселенной, когда-либо составленных. Содержащая почти четыре миллиарда небесных объектов, эта огромная коллекция телескопических наблюдений выявила далёкие галактики, свет которых искривлён в формы, на первый взгляд кажущиеся почти невозможными.

Одна из систем, изученных исследователями, показывает далёкую голубую галактику, которая выглядит как изогнутая дуга вокруг гораздо более близкой жёлтой галактики. Хотя они кажутся находящимися в одной области пространства, их разделяет огромное расстояние. Свет голубой галактики был искривлён вокруг переднего объекта, прежде чем продолжить свой путь к Земле.

На других снимках искажение ещё более необычно. Свет одной далёкой галактики достигает Земли по нескольким разным путям, создавая множественные появления одного и того же объекта. То, что выглядит как собрание отдельных галактик, на самом деле может быть несколькими изображениями всего одной, созданными гравитационным влиянием другой галактики, лежащей прямо перед ней.

Астрономы называют это явление гравитационным линзированием. Его существование было предсказано общей теорией относительности Альберта Эйнштейна более века назад. Его работа установила, что массивные объекты искривляют пространство-время, меняя пути, по которым следует свет во время путешествия по Вселенной.

Галактика содержит огромные количества массы, включая миллиарды звёзд, газ и тёмную материю. Когда свет более далёкой галактики проходит через гравитационное влияние этой массы, его путь может измениться настолько, что изображение окажется растянутым, увеличенным или раздвоенным.

При особенно точном совмещении между Землёй и двумя галактиками свет может образовать почти полный круг вокруг переднего объекта. Такие образования известны как кольца Эйнштейна, и некоторые из них относятся к самым визуально необычным структурам, когда-либо запечатлённым астрономическими телескопами.

Последние находки появились в результате Обзоров изображений наследия ДЕСИ — проекта, который потратил примерно тринадцать лет на фотографирование обширных областей ночного неба. Наблюдения с телескопов в Чили и Аризоне были объединены с инфракрасными измерениями Широкопольного инфракрасного обзорного исследователя Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США, создав карту, содержащую необычайные пять целых шесть десятых триллиона пикселей.

Среди этих миллиардов объектов скрывались тысячи возможных гравитационных линз. Многие почти неотличимы от обычных галактик: они выглядят как небольшие пятна света или слабые изогнутые черты, которые легко принять за спиральные рукава или соседние объекты.

Чтобы найти их, исследователи использовали технологию машинного обучения, обученную распознавать характерные формы, создаваемые сильным гравитационным линзированием. Поиск выявил примерно три тысячи пятьсот возможных систем, которые затем можно было изучить подробнее с помощью более крупных телескопов.

Международная команда астрономов, включая Эмеральд Лин и Ивонн Торо Бертоллу, отобрала семьдесят шесть кандидатов для дальнейшего изучения на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории в Чили. Наблюдения проводились с 2022 по 2024 год, а исследование привлекло новое внимание после объявления, сделанного 8 октября 2026 года.

Команда должна была установить, действительно ли странные формы вызваны гравитацией, искривляющей свет далёких галактик. Используя специализированный прибор под названием МУЗЕ, они изучили свет от объектов внутри каждой системы, ища доказательства того, что видимая фоновая и передняя галактики на самом деле разделены огромными расстояниями.

Их исследование установило пятьдесят пять систем, в которых измерения подтвердили, что свет более далёкого объекта проходит через гравитационное влияние более близкой галактики. Ещё пятнадцать показали многообещающие признаки линзирования, хотя исследователи не смогли получить полные измерения расстояний для фоновых источников. Шесть кандидатов были исключены, когда более близкие наблюдения показали, что они не являются гравитационными линзами.

Некоторые из систем содержат несколько далёких галактик, свет которых искривляется одной и той же передней структурой. Другие включают группы или скопления галактик, где огромные количества объединённой массы создают более сложные искажения. Такие конфигурации особенно полезны, потому что положения и формы дуг содержат ключи к пониманию вещества, ответственного за искривление света.

Большую часть этого вещества увидеть невозможно.

Астрономы десятилетиями пытаются понять тёмную материю — невидимый компонент Вселенной, гравитационное влияние которого можно измерить, хотя его физическая природа остаётся неизвестной. Галактики, по-видимому, содержат гораздо больше массы, чем можно объяснить их видимыми звёздами и газом, и гравитационное линзирование даёт ещё один способ исследовать недостающий материал.

Когда свет далёкой галактики искривляется вокруг передней галактики, величина искажения зависит от общей массы, встреченной на его пути. Измеряя изогнутые изображения и вычисляя, как гравитация должна была перенаправить свет, учёные могут оценить, сколько вещества присутствует, включая тёмную материю вокруг видимой галактики.

В некоторых случаях небольшие скопления невидимой массы могут вызывать едва заметные изменения в яркости или положении отдельных изображений. Обнаружение этих различий могло бы помочь астрономам исследовать структуры тёмной материи, которые слишком малы или слабы, чтобы проявить себя через обычные телескопические наблюдения.

Семьдесят систем, выявленных в этом исследовании, дают дополнительные места для поиска таких эффектов. Детальные наблюдения могут в конечном итоге показать, как тёмная материя распределена внутри этих галактик и соответствует ли её распределение существующим теориям о формировании Вселенной.

Есть и другая причина интереса астрономов к этим космическим совмещениям. Гравитация может увеличивать свет далёкой галактики, превращая передний объект в естественный телескоп. Без такого увеличения некоторые фоновые галактики были бы слишком тусклыми для детального изучения даже с помощью мощных современных приборов.

Свет от этих далёких объектов мог потратить миллиарды лет на путешествие к Земле, то есть астрономы видят их такими, какими они были в далёком прошлом. Гравитационная линза может вывести в поле зрения особенности тех древних галактик, потенциально раскрывая, как формировались звёзды и как развивались галактики в более ранние периоды космической истории.

Наблюдения космического телескопа «Хаббл» уже помогли исследователям изучить некоторые из более сложных систем в коллекции ДЕСИ. Будущая работа с космическим телескопом «Джеймс Уэбб» и другими обсерваториями могла бы выявить более тонкие структуры внутри фоновых галактик, позволяя астрономам восстановить, как они выглядели бы без гравитационного искажения.

Тысячи дополнительных кандидатов всё ещё ждут более близкого изучения, и новые астрономические обзоры, как ожидается, откроют ещё больше. Каждая подтверждённая система даёт ещё один шанс измерить скрытую массу вокруг галактик или изучить свет, приходящий из областей Вселенной, до которых обычные наблюдения с трудом добираются.

Для некоторых из недавно выявленных систем следующая задача — измерить фоновые галактики точнее. Другие готовы к детальной съёмке, которая могла бы показать, как были созданы их искажённые формы и что эти узоры могут рассказать учёным о галактиках, ответственных за искажение.

Одно из самых необычных следствий гравитационного линзирования состоит в том, что свет, покидающий одну и ту же далёкую галактику, может пройти несколькими разными путями вокруг промежуточной массы, прежде чем достичь Земли. Эти путешествия могут различаться по длине, а значит, отдельные изображения одного и того же объекта могут показывать его в слегка разные моменты его истории.

Если этот далёкий объект внезапно изменит яркость, астрономы могут в конечном итоге наблюдать одно и то же событие, появившееся снова в другом изображении после задержки. Такие измерения могут дать информацию о распределении вещества внутри линзы и даже помочь учёным исследовать расширение Вселенной.

Недавно изученные космические зеркала дали астрономам десятки дополнительных систем для поиска этих эффектов, а также редкие виды далёких галактик, искажённых силами, действующими на огромных просторах космоса.