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.

 Каустика в кофейной чашке

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».

Сравните: каустики отражения солнечных лучей в бассейне и крупномасштабной структуры Вселенной

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.

Гравитационное линзирование: притягиваясь к скоплению массы, свет отклоняется от строго прямолинейной траектории. Эффект, предсказанный в теории еще Эйнштейном, сегодня получил многократные подтверждения из наблюдений

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.

Источник: http://www.popmech.ru/article/5342-kofeynaya-vselennaya/