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引力透鏡:宇宙中的放大鏡
2019-04-18 07:54:36 來源: 科技日報
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??????? 一個藍色的星系發出的光在經過一個明亮紅星系時,被后者的引力透鏡效應扭曲成一個幾乎完整的環——愛因斯坦環。這個星系于2007年被斯隆數字巡天望遠鏡發現,哈勃太空望遠鏡在后續的觀測中發現了這個不完整的環。Hubble/NASA/ESA/STS

???????天文詞典

???????我們都知道,當一束光經過一塊三棱鏡或者透鏡時,光的傳播路線會發生改變,這就是折射。我們平時看到的透鏡,主要有放大鏡、老花鏡中使用的凸透鏡和近視眼鏡中使用的凹透鏡。其實,除了常見的玻璃之外,物體的引力也可以讓光的路線發生變化。天體強大的引力還有可能形成引力透鏡現象。近日,美國天文學家發表論文稱,他們利用斯皮策空間望遠鏡和地面望遠鏡研究了一個不尋常的微引力透鏡事件,發現了一對褐矮星雙星。

???????大質量天體使光線彎曲

???????在愛因斯坦的理論中,產生引力的原因是物質的質量彎曲了周圍的空間與時間,當光線經過被物體彎曲的空間時,就走了彎路,產生偏折。在這個理論的基礎上,愛因斯坦還考慮過一個問題:當一個光源與觀測者之間恰好有一個物體時,中間那個物體產生的引力會不會像凸透鏡一樣將光線會聚起來?如果會,這個天體就是一個“引力透鏡”。雖然經典力學也可以得到這個結論,但只有愛因斯坦創立的相對論可以正確計算出光線在物體引力作用下偏轉的角度。

???????愛因斯坦也是第一個對引力透鏡效應進行定量計算的人。他以太陽為例子計算出如果一束光要被太陽會聚到一個點,這個點與太陽的距離是地球與太陽距離的542倍。因此他認為,恒星級天體的引力對光的折射效應太弱了,產生的引力透鏡效應不可能被觀測到。

???????但宇宙中的天體系統并不都是單個的恒星。如果上千億顆恒星聚集而成的星系作為一個引力透鏡,產生的折射效應就會很明顯。更進一步,多個星系組成的星系團會產生更強烈的引力透鏡現象。充當引力透鏡的星系與星系團分別被稱為透鏡星系與透鏡星系團。

???????在透鏡星系或透鏡星系團的作用下,遠處星系或者類星體會產生2個、4個甚至多個像。如果光源、透鏡星系或星系團、觀測者三者幾乎連成一條直線,透鏡星系或星系團周圍就會形成對稱分布的4重像甚至圓環,它們被分別稱為“愛因斯坦十字架”和“愛因斯坦環”。有時,透鏡星系周圍只形成缺了一段短弧的馬蹄形結構,或者形成一條條短弧。

???????1979年,天文學家用美國基特峰天文臺2.1米望遠鏡首次觀測到一個類星體因引力透鏡效應而形成的雙重像,這是第一個被發現的引力透鏡現象。第一個完整的愛因斯坦環于1998年被哈勃太空望遠鏡觀測到,它被命名為B1938+666。在一些引力透鏡的觀測圖像中,不完整的弧形和多重像散布在透鏡星系或星系團周圍,蔚為壯觀。

???????星系或者星系團作為引力透鏡,還會對超新星甚至單個恒星產生引力透鏡效應,讓觀測者看到超新星或者恒星的多重像。2014年,一個國際小組利用哈勃太空望遠鏡首次觀測到透鏡星系讓一顆超新星產生4個像,恰好形成了“愛因斯坦十字架”,分布在透鏡星系的四周。這個透鏡星系位于一個巨大的星系團之中,而這個星系團自身也成為一個引力透鏡。理論計算表明,透鏡星系團讓這個超新星形成3個像,而其中的一個透鏡星系又讓這3個像中的1個變為4個像,因此這個超新星共產生了6個像。此后,同一個小組在檢查引力透鏡超新星的圖像時,發現一個亮度被引力透鏡顯著放大的恒星,后者也因此成為人們觀測到的最遠的單個恒星。

???????透鏡效應助力宇宙學研究

???????隨著觀測技術的發展,天文學家不僅可以觀測到被當年愛因斯坦認定為不可能被觀測到的恒星級引力透鏡產生的效應,還可以觀測圍繞恒星的行星產生的更微弱的引力透鏡效應,它們被統稱為“微引力透鏡”。

???????引力透鏡在天文研究中有非常重要的作用。除了可以看到星系、類星體、超新星的多重像、愛因斯坦十字、愛因斯坦環之外,天文學家用透鏡星系團與透鏡星系研究極早期宇宙,將一些原本暗弱到無法被觀測到的極早期星系的光放大10倍以上,從而觀測到它們。因此哈勃太空望遠鏡執行的任務之一就是利用引力透鏡觀測極早期宇宙中的黯淡星系。

???????引力透鏡效應在宇宙學的研究中也有重要作用。過去的觀測與理論研究都表明,宇宙中有大量無法用任何望遠鏡看到的物質,它們被稱為暗物質。暗物質的總量大約是普通物質總量的5倍。而利用引力透鏡效應,天文學家和宇宙學家可以更精確地確定出星系團與星系內的普通物質與暗物質的分布情況,進而確定宇宙學的一些重要參數。

???????恒星甚至圍繞恒星運轉的行星所形成的微引力透鏡效應也有重要應用。天文學家用它們尋找一些太陽系外的行星、黑洞、褐矮星,還用它們研究暗物質、銀河系的盤結構、星系內形成恒星的快慢程度等等。

???????(作者單位:廣西大學物理科學與工程技術學院)

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【糾錯】 責任編輯: 魯聃玉文
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