Когда массивные объекты искривляют пространство-время, вместе с ним искажается и путь света от более далеких космических структур. Чем массивнее объект, тем сильнее этот эффект гравитационного линзирования. Если «изображение» далекой структуры просто немного искривляется, эффект считают слабым. По сути, куда ни посмотри в космосе, везде есть небольшое искривление. Если же «изображение» множится или вытягивается в длинную дугу, эффект считают сильным. Порой дуга замыкается, образуя так называемое кольцо Эйнштейна. Это происходит, когда искаженная далекая структура, объект-линза и наблюдатель находятся на одной прямой.
Получается, космические гравитационные линзы — бесплатный телескоп для наблюдения за самыми глубинами космоса. Минус в том, что мы не можем сдвинуть эту линзу и настроить фокусное расстояние, то есть расстояние, на котором лучи, проходящие через линзу, сойдутся. Так, например, Солнце можно использовать как гравитационную линзу, но для этого нужно удалиться на расстояние как минимум 550 астрономических единиц (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до светила). Эта точка расположена где-то на полпути между «Вояджерами» и облаком Оорта. При этом наблюдать удастся лишь какой-то конкретный объект по другую сторону светила.
В общем, для использования гравитационных линз в качестве телескопа нужно находиться в правильном месте и в правильное время. К счастью, космос огромен, и множество сильных гравитационных линз уже «сходится» на нас. Нужно лишь найти их.
Обзор COSMOS-Web Lens Survey (COWLS) представил результаты первого систематического поиска сильных гравитационных линз в обзоре COSMOS-Web, собранном спектрографом NIRSpec космического телескопа «Джеймс Уэбб». Ученые проекта вручную просмотрели свыше 42,6 тысячи галактик и выявили более 400 кандидатов в гравитационные линзы. На сбор этого каталога ушло 255 часов работы телескопа.
Среди кандидатов ученые выделили 17 очевидных сильных гравитационных линз. Их описание опубликовано в статье в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. По результатам второго раунда анализа снимков число подходящих сильных гравитационных линз увеличили до 59 и дополнительно выделили 57 «уверенных» кандидатов.
В новой работе проекта, препринт которой выложен на портале arXiv, исследователи спрогнозировали количество и характеристики гравитационных линз, которые должен был выявить этот обзор. По их расчетам, среди сильных линз обзора COSMOS-Web должны преобладать небольшие кольца Эйнштейна. Большинство линз должны находиться на расстоянии, соответствующем одному красному смещению (z = 1), то есть когда Вселенной было примерно 5,9 миллиарда лет. Увеличенные ими далекие объекты — преимущественно на расстоянии, соответствующем смещению 3,2, когда Вселенной было приблизительно два миллиарда лет.
Прогноз согласуется с результатами поисков, но расходится в деталях. Так, например, ученые проекта должны были найти больше линз с большим красным смещением. Авторы новой статьи предположили, что список таких сильных гравитационных линз пополнится, когда будут проанализированы данные с MIRI — прибора среднего инфракрасного диапазона. Также должно быть больше небольших колец Эйнштейна. Прибор MIRI тут не поможет: он не мог разглядеть их из-за более низкой разрешающей способности. Поэтому для обнаружения небольших колец придется снова пройтись по каталогу.
В любом случае понимание причин расхождения прогноза и результатов проекта поможет в дальнейших поисках «бесплатных» космических телескопов для наблюдения за первыми миллиардами лет существования Вселенной.