宇宙放大镜：什么是引力透镜？

　　哈勃太空望远镜捕捉到的一幅图像，一个星系被涂抹在引力透镜周围，形成了有史以来最完整的爱因斯坦环之一。

(图片鸣谢:欧空局/哈勃和美国国家航空航天局，S. Jha鸣谢:L. Shatz)

　　据美国太空网（罗伯特·李）：引力透镜效应是对来自背景光源的光的一种影响，它是由质量引起的时空弯曲的结果，时空的三维空间和时间结合成一个单一的实体。

　　当来自明亮背景光源(如恒星、类星体或整个星系)的光穿过一个非常大的物体(如另一个星系或星系团，被称为透镜物体或引力透镜)时，这种效应最明显。

　　这可能有几种结果；它可以使一个物体改变它在地球上空的明显位置，或者它可以使一个物体出现在天空的多个点上，偶尔会产生壮观的形成，如由同一物体制成的环和十字架。

　　不仅如此，引力透镜实际上会导致背景物体发出的光被放大。

这意味着天文学家可以将星系团产生的引力透镜用作天然的宇宙放大镜。

　　美国宇航局表示，这使它成为研究处于婴儿期的宇宙的重要工具，从最早的星系发出的光通常太暗，无法通过詹姆斯·韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜等仪器观察到。

　　引力透镜是如何工作的？

　　1915年，阿尔伯特·爱因斯坦引入了广义相对论，彻底改变了我们对引力的看法，这一理论有时也被称为引力几何理论。

引力透镜就是从这个理论中诞生的。

　　爱因斯坦的想法是，重力源于这样一个事实，即质量导致时空结构弯曲，质量越大，弯曲越大。

可以把这想象成把质量越来越大的球放在拉伸的橡胶板上，保龄球比网球造成更大的“凹痕”。

　　当然，这种弯曲对通过它的其他物质有影响。

因此，例如，由太阳引起的时空弯曲使地球保持在轨道上，而地球本身引起的弯曲使月球保持在轨道上。

，2010年，第166页]。

　　这幅图显示了一种被称为引力透镜的现象，天文学家用它来研究非常遥远和非常暗的星系。

请注意，该图中的比例被大大夸大了。

实际上，遥远的星系要远得多，也小得多。

一张显示时空弯曲如何导致引力透镜化的图表(图片来源:美国宇航局、欧空局和l . calada)

　　美国理论物理学家约翰·惠勒简洁地描述了广义相对论的效应:“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何移动。

”

　　但是，时空的曲率不仅仅影响物质；它也影响光，这意味着光总是以直线传播，除非它不是直线。

如果这听起来很矛盾，想想画在纸上的一条直线。

如果纸是弯曲的，线本身并没有偏离它的路径，但是它仍然不再是直的。

光的光子穿过空间时所遵循的路径被称为测地线，它可以像在纸上画的线一样弯曲。

，2010年，第133页]。

　　当光线通过由大质量物体造成的时空弯曲区域时发生弯曲，这就产生了引力透镜效应。

，2010年，第223页]。

　　直到广义相对论，在伊萨克·牛顿的物理学中，空间和时间被认为是宇宙事件发生的不变阶段，尽管牛顿也预测了光的弯曲，但程度远不如爱因斯坦。

　　将时空转变为宇宙的一个动态变化的方面是有争议的，这意味着广义相对论在被20世纪的物理学界接受之前需要大量的证据。

幸运的是，引力透镜正好提供了一种可预测和可观察的效应，可以用来提供这一证据。

　　引力透镜如何证明爱因斯坦是对的

　　韦伯的第一个深空是星系团SMACS 0723，它充满了成千上万个星系——包括红外观测到的最微弱的物体。

JWST号捕捉到的第一张深空图像显示了由引力透镜产生的扭曲和变形的星系，这让萨尔瓦多·达利熔化的时钟相形见绌。

(图片来源:美国航天局、欧空局、加空局和STScI)

　　广义相对论认为，作为引力透镜的结果，来自背景光源的光在通过引力透镜时发生弯曲，导致它发出的物体出现在天空中与正常情况不同的位置。

　　天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿认为，视位置的这一变化是证明广义相对论的关键。

他认为他可以利用日食和太阳变暗来观察由太阳质量引起的被充分研究过的恒星的明显位置移动。

　　爱丁顿利用1919年的日食来验证这个想法，他前往巴西北部的索布拉尔观察日食，同时另一个小组前往西非海岸的普林西皮岛进行类似的观察。

　　在1919年的日食中，太阳位于金牛座的一群明亮的星星Hyades的前面。

光线弯曲效应在最接近太阳盘面的地方会达到极致，幸运的是，在日食期间，在太阳盘面附近可以看到许多Hyades恒星。

　　尽管在两次探险中遇到了许多技术问题，但爱丁顿和天文学家安德鲁·克劳德·德拉切罗伊斯·克罗梅林领导的第二个团队观察到了这些恒星的光线偏转，这是太阳进入它们和地球之间的结果，这与广义相对论的预测一致。

表观位置的变化是牛顿引力理论预测的两倍。

　　虽然这些发现并非没有争议，但在此之后进行的许多类似的日食实验进一步证实了引力透镜和大质量物体的空间弯曲，并揭示了更多关于这一由引力引起的令人难以置信的现象。

　　引力透镜的类型

　　根据加州大学伯克利分校的说法，引力透镜有三种主要类型，强透镜、弱透镜和微透镜。

　　强引力透镜效应

　　顾名思义，强透镜效应是其中最极端的一种，当引力透镜特别大，并且被透镜化的背景光源接近它时就会发生。

这意味着来自这个光源的光可以通过多条路径通过引力透镜，这取决于它的路径距离它有多近。

因此，来自单个物体的强透镜光可以在不同的时间到达观察者。

　　如果被透镜化的背景物体随时间变化，那么它的多个图像也将变化。

加州大学伯克利分校解释说，这不仅可以用来跟踪超新星等爆炸事件的发展，大质量恒星的爆炸死亡，还可以用来测量宇宙膨胀的速度，即所谓的哈勃常数。

　　强引力透镜效应的结果

　　第一次从一个物体上看到多个图像是在1979年，当时天文学家看到了一个类星体的双重图像，这被称为“孪生类星体”，有点不准确。

　　起初，天文学家认为这是两个独立的类星体，命名为Q0957+561 A和B，研究了它们的无线电和可见光光谱，发现它们是相同的。

由丹尼斯·沃尔什领导的科学家小组得出结论，这两个孪生类星体实际上是同一物体，来自它们的光在类星体和地球之间的一个微弱但可探测的星系周围走了不同的路径，该星系充当了引力透镜[R. J. A .兰伯恩。

，2010年，第223页]。

　　自1979年以来，天文学家发现，斯坦格引力透镜可以创造一些怪异和奇妙的表现。

　　根据欧空局的说法，强引力透镜化的结果取决于进行透镜化的物体的形状。

最简单的引力透镜发生在单个物体扭曲时空和弯曲光线的时候。

　　如果引力透镜是球形的，那么它就产生了所谓的爱因斯坦环，其中单个物体以圆形排列重复出现。

如果引力透镜物体被拉长，例如像一些星系，背景物体被复制成十字形排列，称为爱因斯坦十字。

　　欧空局的插图显示了不同形状的引力透镜产生的不同排列。

(图片来源:欧洲航天局)

　　ESA补充说，当透镜物体是不规则形状或大质量物体的排列时，如星系团，会发生更复杂的引力透镜现象。

在这些情况下，对背景源的影响是扭曲它们的外观，在图像上涂抹它们，使它们看起来像弧形，甚至像太妃糖一样被拉伸。

　　这种惊人的效果在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)向公众提供的第一幅图像中呈现的弧形和漩涡中尤为突出，这是美国总统乔·拜登于2022年7月11日透露的星系团SMACS 0723的深视场图像。

　　可以研究这些由充当引力透镜的星系团产生的涂片，以评估这些星系团内的质量分布。

这对天文学家研究星系周围暗物质的分布特别有用。

　　尽管暗物质不与电磁辐射相互作用，因此不发射、吸收或反射光，但它确实具有质量，这意味着它扭曲时空并与引力相互作用，就像构成星系可见组成部分的“普通物质”一样。

　　这意味着通过观察由一个星系或一个星系团引起的引力透镜化的数量，然后将其与聚集中的可见物质(如恒星和热气)引起的透镜化进行比较，天文学家可以确定存在多少不可见的暗物质以及它们是如何分布的。

　　弱和微引力透镜

　　当引力透镜不足以在宇宙的同一视图中产生同一物体的多个实例或创建视觉上引人注目的模糊星系时，弱透镜就会发生。

弱透镜仍然会导致一些扭曲，但这在单个星系上是看不到的，所以真正看到弱透镜效应的唯一方法是观察许多星系，并对它们的影响进行平均。

　　强引力透镜和弱引力透镜来自难以置信的大质量物体，如星系或星系团，但更小的物体也可以扭曲时空和转移光的路径。

引力微透镜[R. J. A .兰伯恩。

，2010，第225页]当一个透镜物体的质量类似于太阳或数倍于我们的恒星时就会发生。

　　虽然重力微透镜造成的扭曲可能太细微而无法察觉，但它确实让物体变亮了。

这意味着重力微透镜可以通过监测被充分研究的恒星的亮度变化来使用。

一颗遥远的恒星在几天或几周内变亮，这表明一个致密而黑暗的看不见的物体从这些恒星面前经过，导致它们暂时被透镜化。

　　微透镜已经成为探测黑洞的一种可行方法，黑洞不会从作为其边界的光捕获表面(称为事件视界)以外发射任何光，因此除非它们在周围的气体和尘埃中创造动荡和暴力的条件，使其发光，否则无法看到黑洞。

这是因为它们仍然拥有质量，黑洞仍然扭曲空间，因此仍然产生少量的引力透镜。

　　JWST和哈勃太空望远镜如何利用引力透镜来回顾过去

　　当来自遥远的早期星系的光传播到地球时，它失去了能量，因此变得更暗。

这意味着早期星系非常微弱，即使是人类创造的最强大的设备也看不到。

除非他们从一个整个星系团大小的放大镜那里得到帮助。

　　哈勃太空望远镜已经很好地利用了引力透镜引起的光的放大，并利用它来研究早期星系的结构。

自1990年以来一直在研究宇宙的哈勃，从地球上方的位置，不受地球大气层的模糊影响，可以看到地基望远镜不会看到的引力透镜早期星系。

　　这有助于开创性的望远镜研究星系的结构，如果不使用引力透镜，甚至哈勃的新的，更强大的合作伙伴，根据美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)也无法看到。

　　JWST已经跟随哈勃的脚步，利用引力透镜产生了巨大的效果，并在星系团透镜周围产生了扭曲和模糊的星系图像，这种方式会让抽象画家萨尔瓦多·达利感到自豪。

　　自2022年年中上线以来，仅在第一年的运行中，JWST就在哈勃的工作基础上利用引力透镜看到了迄今为止已知的最遥远、也是最早的四个星系。

这些星系，JADES-GS-z10–0，JADES-GS-z11–0，JADES-GS-z12–0和JADES-GS-z13–0，存在于138亿岁的宇宙大约3.5亿岁的时候。

　　专家解答的引力透镜常见问题

　　我们向多伦多大学大卫·邓拉普天文和天体物理系的博士生陈骁强询问了一些关于引力透镜的常见问题。

　　陈骁强的个人资料

　　陈骁强是多伦多大学大卫·邓拉普天文学和天体物理学系的博士生。

他专门研究宇宙学、宇宙微波背景、数据建模和分析。

　　什么是引力透镜，是什么导致了它？

　　引力透镜是指光线被具有很强引力的物体偏转。

我们通常认为光是直线传播的。

例如，你可以看到蜡烛上的火，因为它的光直射到你的眼睛。

有时光线的路径会发生偏转，我们通常称之为透镜效应。

在日常生活中，当光从一种介质传播到另一种密度不同的介质时，我们会看到这种情况。

这就是眼镜的工作原理。

引力透镜也指的是光路的弯曲，但这次是由于引力！就像重力如何影响规则物体的路径一样，光线可以被质量非常大的物体偏转。

　　引力透镜什么时候发生？

　　需要三样东西！首先，我们需要一个观察者。

这通常是地球上的某个人，或者一架望远镜。

接下来，我们需要一个镜头。

同样，需要非常大的质量才能显着改变光的路径，所以这通常是一个星系或星系团。

最后，我们需要一个带透镜的光源。

从观察者的角度来看，引力透镜的几何形状通常要求光源在透镜后面。

这种特殊的结构意味着我们很少观察到引力透镜物体。

　　天文学家如何利用引力透镜？

　　要使光线明显偏离原来的路径，需要很大的质量。

通常需要一个星系甚至一个星系团的质量。

这就是为什么引力透镜通常只能在宇宙尺度上观察到。

就像放大镜一样，透镜光可以被放大或缩小。

如果从远处射向我们的光被位于其间的大质量星系所透镜化，那么我们可以利用放大的(因此更亮的)图像来更详细地研究它们。

我们还可以通过研究透镜对周围光线的折射程度来了解透镜本身的质量。

　　为什么它对观察早期星系有用？

　　光速是一个有限的量，所以光穿越宇宙距离需要时间。

早期星系的“回望时间”告诉我们，我们能看到的星系位于非常遥远的地方。

由于它们的表观大小和亮度，这使得它们很难观察到，这些遥远星系的引力透镜图像(特别是放大的版本)可以更好地观察和研究，因为它们比没有透镜的对应星系更亮。

我喜欢把它想象成我们正在把那些遥远的星系放在显微镜下(当然，这不是实际发生的事情，但想法是相似的)。

　　引力透镜和暗物质有什么关系？

　　暗物质是任何与引力相互作用(就像普通物质一样)但不直接发射或吸收光的物质。

天文学家知道它的存在，因为我们在宇宙尺度上看到了重力的影响，他们观察到了比可见物质所能解释的更强的重力效应。

同样的事情也适用于引力透镜。

图像被引力透镜放大的程度比透镜中可见物质所能解释的要大得多。

如果我们将我们在星系中看到的气体和恒星的质量与我们从引力透镜推断的质量进行比较，我们往往会注意到有很多质量是我们看不到的。

然后，我们可以推断出，为了让我们观察到这样的透镜化程度，透镜中必须存在多少暗物质。

　　有不同类型的引力透镜吗

　　是啊！引力透镜有几种类型，但它们可以用光路被引力偏转的相同现象来描述。

有时，天文学家区分强透镜和弱透镜，这是指光的路径被偏转了多少(原始路径和偏转路径之间的角度)。

正如我之前所描述的，图像可以被放大或缩小，但它们也可以被扭曲，天文学家称之为剪切透镜。

天文学家有时也区分被观察的光的类型。

星系透镜化通常用可见光来观察。

我们还可以用大爆炸留下的微波光来观察引力透镜！

　　你如何在你的研究中使用引力透镜？

　　我研究引力透镜对大爆炸产生的宇宙背景辐射(也称为宇宙微波背景或CMB)的影响。

这是大爆炸留下的残余光线，我们几乎可以从各个方向观察到它。

从某种意义上来说，它是引力透镜的完美光源，因为这种光来自大爆炸后形成的所有宇宙结构和星系的背后。

问题是我们不知道最初的CMB是什么样子，因为我们只能观察到有透镜的版本。

我的研究重点是利用我们对引力透镜如何工作的了解，来解开观测到的CMB中关于宇宙大质量结构的信息。

　　额外资源

　　广义相对论解释说，除了引力透镜效应，质量导致的时空弯曲还会引发其他令人震惊的现象。

一个例子是“帧拖动”，其中一个巨大质量的旋转物体实际上拖动空间和时间。

2015年，加州大学伯克利分校的一名天文学家发现，一颗遥远的超新星被一个巨大的星系透镜化了四次，形成了一个爆炸的爱因斯坦十字。