引力透镜介绍

引力透镜介绍

大多数人都熟悉天文学的工具:望远镜、专门仪器和数据库。天文学家使用这些,加上一些特殊的技术来观察遥远的物体。其中一种技术叫做“引力透镜”。

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来自遥远物体的光线穿过较近星系的引力场,形成了一个引力透镜,在哈勃太空望远镜看来就像一个“笑脸”。美国国家航空航天局/ STScl

大多数人都熟悉天文学的工具:望远镜、专门仪器和数据库。天文学家使用这些,加上一些特殊的技术来观察遥远的物体。其中一种技术叫做“引力透镜”。

这种方法仅仅依赖于光在接近大型物体时的特殊现象。这些区域(通常包含巨大的星系或星系团)的重力会放大来自非常遥远的恒星、星系和类星体的光,利用引力透镜进行观测有助于天文学家探索宇宙最早期存在的天体,它们还揭示了在遥远恒星周围存在的行星,他们还以一种神秘的方式揭示了渗透宇宙的暗物质的分布。

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引力透镜效应及其工作原理,来自远处物体的光经过较近的物体时,会产生强大的引力,光线被弯曲和扭曲,从而产生更远处物体的“图像”。美国国家航空航天局

引力透镜的力学

引力透镜背后的概念很简单:宇宙中的所有物体都有质量,而质量也有引力。如果一个物体的质量足够大,它强大的引力会使光线弯曲。一个非常巨大的物体,如行星、恒星、星系、星系团、甚至黑洞,其引力场对附近空间中的物体的引力更大。例如,当来自较远的物体的光线经过时,它们会在重力场中被捕获,弯曲并重新聚焦。重新聚焦的“图像”通常是对较远物体的一种扭曲的景象。在某些极端情况下,整个背景星系(例如)可能会在引力透镜的作用下扭曲成细长的香蕉状。

透镜效应的预测

引力透镜的概念最初是在爱因斯坦的广义相对论中提出的。大约在1912年,爱因斯坦自己推导出了光在经过太阳引力场时如何偏转的数学公式。1919年5月,天文学家亚瑟·爱丁顿、弗兰克·戴森和一组驻扎在南美和巴西城市的观测人员在一次日全食中验证了他的想法,他们的观测证明了引力透镜效应的存在。尽管引力透镜效应在历史上一直存在,但可以肯定地说,它最早是在20世纪初被发现的,今天,它被用来研究遥远宇宙中的许多现象和物体,恒星和行星会产生引力透镜效应,尽管这种效应很难被探测到,星系和星系团的引力场可以产生更明显的透镜效应,而且,现在发现暗物质(具有引力效应)也会导致透镜效应。

引力透镜的类型

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引力透镜效应及其工作原理。来自远处物体的光经过较近的物体时,会产生强大的引力。光线被弯曲和扭曲,从而产生更远处物体的“图像”。美国国家航空航天局

现在天文学家可以观测到整个宇宙的透镜现象,他们把这种现象分为两类:强透镜现象和弱透镜现象。强透镜效应很容易理解——如果它可以用人类的眼睛在图像中看到(比如说从哈勃太空望远镜),那么它就是强透镜。另一方面,弱透镜用肉眼是检测不出来的,天文学家必须使用特殊的技术来观察和分析这个过程。

由于暗物质的存在,所有遥远的星系都有一点点弱透镜,弱透镜用来探测空间中某个方向的暗物质的数量,这对天文学家来说是一个非常有用的工具,帮助他们了解宇宙中暗物质的分布。强透镜也能让他们看到遥远的星系,就像他们在遥远的过去一样,这让他们对数十亿年前的情况有了很好的了解,它还能放大来自非常遥远的物体(如最早的星系)的光,并经常让天文学家了解星系年轻时的活动情况。

另一种类型的透镜称为“微透镜”,通常是由一颗恒星从另一颗恒星前面经过,或撞向较远的物体引起的。物体的形状可能不会像透镜那样被扭曲,但光线的强度会波动,这种现象让天文学家了解到微透镜可能参与其中。有趣的是,当行星从我们和它们的恒星之间经过时,它们也会发生微透镜现象。

引力透镜效应适用于所有波长的光,从无线电、红外线到可见光和紫外线,这是有道理的,因为它们都是覆盖宇宙的电磁辐射光谱的一部分。

第一个引力透镜

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这幅图像中心的两个明亮的物体曾被认为是孪生类星体。它们实际上是一个非常遥远的类星体被引力透镜化的两幅图像。美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所

第一个引力透镜(除了1919年的月食透镜实验)是在1979年被发现的,当时天文学家观测到一个被称为“孪生QSO”的东西。QSO是“准星体”或类星体的简称。起初,这些天文学家认为这个天体可能是一对类星体的孪生兄弟,在使用位于亚利桑那州的基特峰国家天文台进行仔细观察后,天文学家们发现,在太空中并不存在两个彼此相似的类星体(遥远的非常活跃的星系)。相反,它们实际上是一个更遥远的类星体的两幅图像,是在类星体的光线经过一个非常巨大的引力时产生的。该观测是在可见光下进行的,后来在新墨西哥州使用甚大阵无线电观测证实了这一点。

爱因斯坦环

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被称为马蹄形的部分爱因斯坦环,它显示了来自遥远星系的光线被较近星系的引力所扭曲。美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所

从那时起,许多引力透镜的物体被发现了,最著名的是爱因斯坦环,它是透镜化的物体,其光线在透镜化的物体周围形成一个“环”,当遥远的光源、透镜状的物体和地球上的望远镜排成一行时,天文学家就能看到一圈光,这些被称为“爱因斯坦环”,当然是以一位科学家的名字命名的,因为他的工作预言了引力透镜现象。

爱因斯坦著名的十字架

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爱因斯坦十字实际上是一个类星体的四张图像(中间的图像用肉眼是看不见的)。这张照片是由哈勃太空望远镜的模糊物体照相机拍摄的,做透镜的物体被称为“Huchra的透镜”,以已故天文学家John Huchra的名字命名。美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所

另一个著名的透镜状天体是类星体Q2237+030,即爱因斯坦十字。当一颗距离地球约80亿光年的类星体的光穿过一个椭圆形星系时,就形成了这种奇怪的形状。这颗类星体出现了四张图像(中间的第五张图像是肉眼无法看到的),形成了一个菱形或十字形。透镜星系距离地球比类星体近得多,大约4亿光年。这个物体已经被哈勃太空望远镜观测过好几次了。

宇宙中遥远物体的强烈透镜现象

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这是Abell 370,展示了一组更遥远的物体在前景星系团的引力联合作用下被透镜化。远处的透镜星系被扭曲了,而星系团星系看起来相当正常。美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所

在宇宙距离尺度上,哈勃太空望远镜定期捕捉到引力透镜效应的其他图像,在它的许多视图中,遥远的星系被涂抹成弧形,天文学家利用这些形状来确定在进行透镜化的星系团中的质量分布,或计算出暗物质的分布。尽管这些星系通常太过昏暗而不易被观测到,但引力透镜效应使它们变得可见,并将信息传递到数十亿光年的范围内,供天文学家研究。

天文学家继续研究透镜效应,特别是当黑洞被卷入其中时,它们强烈的引力也会使光线变得像透镜一样,如图所示。

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这张计算机模拟图像显示了一个星系中心的超大质量黑洞,中间的黑色区域代表黑洞的视界,在那里没有光可以逃脱大质量物体的引力,黑洞强大的引力扭曲了它周围的空间,就像一个游乐园的镜子,这个过程被称为引力透镜,当恒星掠过黑洞时,来自背景恒星的光被拉伸和涂抹。NASA, ESA,和D. Coe, J. Anderson,和R. van der Marel(太空望远镜科学研究所),科学来源:NASA, ESA, C.-P。Ma(加州大学伯克利分校)和J. Thomas(马克斯·普朗克地外物理研究所,加兴,德国)。

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