Кофейная Вселенная: Игра света и гравитации

Интересная связь обнаружена между игрой солнечных лучей на стенках кофейной чашки – и тем, как свет далеких звезд отклоняется могучими гравитационными силами.

Изогнутая линия солнечного света, отраженного от внутренней стенки кофейной чашки, образует изящную и знакомую каждому картинку с линиями, которые становятся ярче к краям и сходятся ближе к центру изгиба. Если вы забыли – взгляните на иллюстрацию слева, а еще лучше посмотрите сами. Все, что требуется для эксперимента – это недопитая чашка кофе и окно, из которого светит яркое Солнце.

Ученые называют такие светящиеся края линий – «каустиками», т.е. «резкими, яркими». Каустики – это геометрическое место фокусов всех лучей, которые не сходятся в одной точке, их можно наблюдать повсюду – скажем, в бассейне. Каустики встречаются и далеко во Вселенной. Как показал еще советский физик Яков Зельдович, гравитационные нестабильности влияют на распределение массы в космосе: если поначалу оно было однородным, то постепенно масса концентрируется на каустиках. Так возникает крупномасштабная структура Вселенной, напоминающая тяжи колоссальных нитей материи (читайте о ней подробнее: «Нити вселенской паутины»).

Каустики появляются при гравитационном линзировании – отклонении света от прямолинейной траектории под действием притяжения большой массы. Огромные скопления материи играют здесь примерно ту же роль, что и преломление воды на границе водной и воздушной сред на поверхности бассейна. «Гравитация может оказаться настолько мощной, - поясняет профессор Арли Петтерс (Arlie Petters), что часть лучей формируют каустики. Это просто поразительно – то, что мы рассмотрели в кофейной чашке, стало математической теорией, которая подтвердилась и в космических масштабах».

Для нас, наблюдателей Земли, вся Вселенная сегодня представляется огромным пространством-временем, где царят непрерывно взаимодействующие друг с другом излучения и силы гравитации.

«Как и при любом другом освещении, - говорит Петтерс, - у вас будут области более освещенные, и области, освещенные слабее. И самые яркие регионы Вселенной располагаются по кривым каустики».

Учитывать эффекты, которые вызывают гравитационные линзы, сегодня просто необходимо при работе с данными, собранными мощными телескопами. Ранее, исследуя этот вопрос, Арли Петтерс и его коллеги показали, что если источник излучения находится у границы кривой каустики, он может видеться, как пара близких друг к другу и одинаковых по яркости источников: если «вычесть» из яркости одного яркость второго, получается ровно ноль.

Теперь же ученые рассмотрели, как во Вселенной из-за игры сил гравитации с излучением возникают каустики «высокого порядка» - скажем, те, при которых источник излучения видится, не как 2, а как целых 4 источника. И при любых начальных параметрах яркость видимых источников настолько одинакова, что если даже один из 4-х будет несколько слабее, другой окажется чуть ярче – так что сумма по всем 4-м по-прежнему останется нулевой.

Ученые любят такие простые и элегантные решения, тем более что если результаты теоретических изыскания Петтерса и коллег подтвердятся, это многое скажет нам о крупномасштабной структуре галактик и всей Вселенной в целом. К примеру, оно поможет обнаруживать темную материю: если один из «клонированных» гравитацией источников излучения не вписывается в общее правило, скорее всего, на него влияет нечто невидимое – то есть, та самая темная материя.

Конечно, это далеко не единственный пример тому, как поразительно одинаково действуют физические законы на разных масштабах. Удары бильярдных шаров имитируют столкновения планет, а мыльная пленка – поведение колоссальных ураганов.