引力透镜:人类观测宇宙的放大镜

引力透镜的基础是光在空间中传播时,因受到区域引力场影响而发生偏折的效应,引力透镜效应是爱因斯坦等效原理的直接体现。

想像一下,当你乘坐一台无窗电梯时可能遭遇的两种状况:加速向上与自由落下。当电梯加速向上的瞬间,你的身体因为惯性而静止于原来的高度上,但电梯硬把你往上推,你会感受到体重似乎骤然增添了不少;另一方面,当你搭电梯下楼时,在电梯从静止开始下降的瞬间,惯性试图将你保持在原来的高度上,但当电梯突然下降时,身体失去支撑,你就误以为身处在自由落下的状态,引力的牵引忽然消失,体重好像瞬间归零。

行星们为什么会转弯?

这就是爱因斯坦在1907年发现的等效原理:引力造成的效应与物体加速运动时的效应是相等的!

爱因斯坦据此悟出引力其实算不上是一种“作用力”,运动中的物体所感受到的引力大小基本上与其质量无关,而是受到空间弯曲的影响。当空间中存在具有质量的物体时,它就会成为引力场源,并且使周围的空间弯曲。

空间弯曲的程度取决于引力场源的质量:引力场源的质量愈大,代表引力场的强度愈强,会使空间弯曲得愈厉害。

若将空间视为有弹性的橡皮膜,可看出行星轨道的成因是来自太阳周遭空间被其庞大质量所扭曲,迫使原本直行的行星因应弯曲空间的形状运动,形成会顺势转弯的轨道。
若将空间视为有弹性的橡皮膜,可看出行星轨道的成因是来自太阳周遭空间被其庞大质量所扭曲,迫使原本直行的行星因应弯曲空间的形状运动,形成会顺势转弯的轨道。

太阳系的行星轨道就可以用这种概念来理解:太阳的庞大质量会造成整个太阳系空间发生弯曲,当行星在太阳所产生的引力场中移动时,我们以为它们是自己向前直行的,事实上这些行星却是被迫因应弯曲的空间形状而运动,顺势转弯形成各自的绕日轨道。

当位于太阳后面的恒星所发出的光紧邻着太阳旁边通过时,其运动路径会因受到太阳引力场的影响而偏折。由于地球上的观测者总是想像光是沿直线传播过来,因此会认定发光的恒星位在直线延伸的正前方。
当位于太阳后面的恒星所发出的光紧邻着太阳旁边通过时,其运动路径会因受到太阳引力场的影响而偏折。由于地球上的观测者总是想像光是沿直线传播过来,因此会认定发光的恒星位在直线延伸的正前方。

光在空间中传播时,会受到区域引力场的影响而发生偏折,这种现象也可以用相同的方式解读。由于引力不是一种“作用力”,因此被引力吸引的物质,无论是否具有质量,在向前直行的移动过程中,都会受空间弯曲的影响而顺势转弯,造成运动路径的偏折。

爱因斯坦曾经因此预言:“当星光紧邻着太阳周围通过时,会受太阳引力场扭曲而偏折。”

此现象在1919年天文学家观测日食的时候被证实为真,爱因斯坦本人更因此而声名远播。

摆在宇宙中的天然放大镜:引力透镜

引力透镜成像的基本原理:遥远光源所发出的光,经大质量天体造成偏折后,在另一端聚焦成像。
引力透镜成像的基本原理:遥远光源所发出的光,经大质量天体造成偏折后,在另一端聚焦成像。

当遥远光源发出的光经过大质量天体周围的空间时,会受到该天体的引力场影响而产生偏折,在另一端聚焦成像,这就如同光线通过透镜时会发生的现象,因此我们将此效应称为引力透镜效应。另外,造成光线偏折的天体被称为透镜天体,而光线在偏折聚焦后有可能形成光源的多重图片。

引力透镜产生壮观的多重图片。图中透镜天体的强大引力场,对同一个背景星系制造出3个不同图片,另对一个遥远的类星体制造出5 个不同图片。
引力透镜产生壮观的多重图片。图中透镜天体的强大引力场,对同一个背景星系制造出3个不同图片,另对一个遥远的类星体制造出5 个不同图片。

任何具有质量的天体,都可能使经过其周遭的光线发生偏折,因此在各种不同尺度上,都可能观察到引力透镜的现象。根据尺度与效果的差异,天文学家一般将引力透镜分为三类:微引力透镜弱引力透镜强引力透镜

搜索宇宙早期形成的星系

引力透镜效应除了作为暗物质存在的直接证据外,更可用来搜索宇宙早期星系的踪影。由于引力透镜的聚焦功能,非常遥远的大质量星系团基本上就等同于宇宙级放大镜,有如上帝手中的终极望远镜,映照出大霹雳后5 亿年内即已形成的星系图片。

NASA 在2018 年初宣布,通过星系团SPTCL J06155746的聚焦,哈伯太空望远镜观测到在早期宇宙所形成的一个胚胎星系SPT0615JD 的图片。

胚胎星系SPT0615-JD 的透镜图片。SPT0615-JD 在大霹雳后5 亿年内即已形成,是一个质量、宽度皆远远不及现代星系的宇宙早期胚胎星系。
胚胎星系SPT0615-JD 的透镜图片。SPT0615-JD 在大霹雳后5 亿年内即已形成,是一个质量、宽度皆远远不及现代星系的宇宙早期胚胎星系。

通常在如此遥远的深空里拍摄到的星系都只是点状光影,无法透露更多早期星系的物理特性。但SPTCL J06155746 星系团不仅放大了SPT0615JD的图片,更将其外貌扭曲延展成一个长约2 弧秒2的拱形天体。

在分析这个透镜图片后,天文学家发现SPT0615JD的质量不超过30亿倍太阳质量,约为银河系质量的1%;而其真实大小则不及2500光年,大约只有我们银河系的卫星星系小麦哲伦云的一半左右。可见早期星系的性质,与我们银河系这种现代星系大相径庭。未来,随着观测到愈来愈多这类胚胎星系的透镜图片,相信我们终能掌握星系形成的秘密!

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