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宇宙中最美的幻象:引力透镜效应

·引言·

当人们在海滩漫步时,或许能有幸目睹这样的奇观:海面上的云层在阳光下消退,上空突然出现了一座美丽又繁华的都市,都市林立的高楼大厦、宽广的街道和川流不息的车辆,都呈现在眼前。当人们惊叹于这幅美景时,它却又随着海风慢慢消失了。


宇宙总是具有最抽象的表现力,让我们无法窥测到它的真实面貌。从眼前的大海,到头顶的星空,它们本来的样貌在传达到我们的眼睛时,已经经历了或多或少的变化。我们能否看到宇宙的本来面貌呢?还是说我们注定只能学会去欣赏它刻意留给我们的幻象?


1月20日,作者和五百多名观众一起在上海科技馆参加了墨子沙龙主办的《天文·云》大会,听取了来自清华大学的毛淑德教授关于引力透镜的科普报告,颇有感悟。今天,作者就带大家一起,试图去揭开宇宙的幻觉。

作者 | 钟郅皓


扭曲的图像

用双眼直接观察是人类认识这个世界最基本的方法。物体发出或反射的光投影在人们的视网膜上,视网膜的细胞又将信息传递给大脑,这样我们就看到了物体的模样。墨子在2500年前证实了“光沿直线传播”,但人类在千百年来时时刻刻体验着这一点。在日常生活中,当人看到一个物体时,人的大脑会自动确定物体位置,观即可取。但也正因如此,人们有时候会被自己的眼睛欺骗。


最简单的例子莫过于铅笔放在水中时,光线在空气和水的分界面发生折射,铅笔看起来好像是“断了”。海市蜃楼的原理和此类似,都是光在穿过不同介质时发生折射产生的现象,不过光线不再是简单地通过两层介质,而是密度不同的多层空气。


图1、铅笔在水中“断了”(图片来源:网络)

 

弯曲的时空

现在离开地球,在遥远的宇宙中是否也有如此神奇的现象呢?答案是肯定的。1979年,英国天文学家在观测类星体(顾名思义,就是看起来像恒星一样的天体)时,发现两个相距很近且特性几乎相同的亮点,于是他们猜测,这两个亮点可能是同一个类星体产生的两个像。光线在宇宙中到底出了什么“事故”?竟然发生了弯曲吗?可是广袤的宇宙中并没有什么介质,可以让光线偏折吧?这时,人们想到了爱因斯坦广义相对论中的一个重要预言——光线偏折,以及爱因斯坦后来发表的对“引力透镜效应”的预测。这次观测就是人类发现的第一个“引力透镜”(gravitational lensing)现象。什么是引力透镜?首先我们要回到100年前,看一下爱因斯坦在广义相对论中关于引力的解释。


图2、人类观测到的第一个引力透镜,A和B是呈的两个像(图片来源:wikipedia)

 

Gravity is geometry

(引力是一种几何现象)

换言之,在广义相对论中,引力仅仅是一种表象。任何有质量的物体都会使周围的时空(在相对论中,时间和空间不再相互独立,它们统称为时空)发生弯曲,其附近的物质受到弯曲时空的影响而向它靠近,这就是引力的本质。如果要用一句话来概括这个理论,那就是:物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。


用下面的一幅图来理解就更形象了:


图3、有质量的物体使周围的时空弯曲(图片来源:网络)

 

如上图,原本平直的时空,如果我们放一个恒星上去,它就会发生弯曲,就像在一张拉直的布上放了一个重物而发生了塌陷。这时如果另外一个质量比较小的天体经过附近,就会由于这张布的塌陷而绕着它转。如果把这幅图中的小质量天体换成光线,我们就不难理解“光线偏折”这种现象了。光线偏折作为广义相对论的一个重要预言,在1919年的日食观测得到了验证。


图4、光线在引力场的作用下发生偏折(图片来源:网络)

 

上帝的放大镜

既然光线在宇宙中可以偏折,那么当一个发光的天体处在另一个天体身后时,我们也有机会看到它。只不过我们看到的并不是它本来的位置,而是我们以为光线沿直线传播的位置。这就是“引力透镜”现象。如下图中,常常呈现出一个前景的星系周围有几个亮点,有时也能观测到这些亮点连成一个美丽的圆环,人们称之为“爱因斯坦环”。中心的星系称为“透镜天体”(lens),在它背后发出光线并呈多个像的天体则称为“源天体”(source)


图5、引力透镜和所呈的像(图片来源:wikipedia)

 

不难想象,透镜天体的质量对整个引力透镜的模样有很直接的影响。质量越大,其周围时空的光线偏折也就越明显。因此,我们可以利用引力透镜效应来计算透镜天体的质量。这是引力透镜一个很重要的应用。暗物质也可以引起“引力透镜”现象,因此还可以利用其来测量暗物质的质量,由此来构建暗物质在小尺度上的结构。


另外,由于引力透镜对光线有汇聚的作用,一些原本不该到达观测者的光线被偏折到了观测者的位置,所以通过引力透镜看到的天体的像,会比它本身要更亮。这也是为什么引力透镜如此重要的原因之一,人类可以通过它看到很远很远的暗的天体,就像是拿着放大镜在宇宙这个巨大的画布上寻找我们想要的东西。

 

曼德尔的故事

说到引力透镜,还得提到一个人,那就是鲁迪·维尔特·曼德尔(Rudi Welt Mandl),一个在餐馆洗碗打工的捷克工程师,是他的坚持迫使爱因斯坦发表了引力透镜效应的工作。1936年的一天,他跑到普林斯顿找爱因斯坦,提出自己关于空间透镜概念的想法,声称可以用来检验广义相对论。爱因斯坦客气地接见了他,并讨论了这种空间透镜的数学形式。曼德尔的想法很丰富,还涉及到光学,天体物理甚至恐龙灭绝!(他认为恐龙灭绝这件事,引力透镜要背锅)


图6、爱因斯坦(右)和曼德尔(左)(图片来源:wikipedia)

 

爱因斯坦也挺感兴趣,然而他表示,年轻人啊,想法不错,但我们是观测不到这种现象的。一是因为透镜现象发生需要透镜和源在同一视线方向,发生这种现象的概率很低;二是因为望远镜分辨率不够,即便发生了这种现象可能也分辨不出来。还有啊,恐龙灭绝这件事就不要再提了,这种不靠谱的推测,以后会被学术界的笑话的。之后,爱因斯坦好像就把这件事给忘了,几个月没有给曼德尔回信。不过,曼德尔没有放弃,他通过科学服务部门询问爱因斯坦,这样,爱因斯坦终于发表了空间透镜的工作。但他致信科学杂志的编辑:“谢谢您帮忙发表这篇小文章,这篇文章是曼德尔先生从我这里榨取出来的。它几乎没有什么价值,但它会让这个可怜的家伙感到高兴。”


事实上,根据爱因斯坦的手稿,他在1912年就已经推导出了引力透镜现象的数学形式,但,他忘了。是曼德尔的想法以及他对发表此种想法的迫切渴望,使引力透镜的的理论更早地展示在公众面前。后来,我们知道,爱因斯坦的结论是对的,单独恒星产生的引力透镜效应或许太弱而观测不到,但他忽略了恒星不是唯一能导致光线弯曲的天体,包含千亿颗恒星的大质量星系造成的引力透镜是有可能观测到的。


图:爱因斯坦关于引力透镜的论文

 

寻找宇宙的幻象

现在我们知道,引力透镜最明显的表现就是同一个天体成了多个像,同时它们会围着一个大质量天体(通常是星系)分布,而且这种现象对我们的观测非常有用。那么我们该如何去找到更多的引力透镜现象呢?毕竟当我们用大口径的望远镜向宇宙深处看去时,密密麻麻的亮点遍布了整个视野,该如何分辨哪些亮点是引力透镜现象,或者说,怎么确认哪几个亮点是来自于同一个天体呢?


科学家们从身边获得了灵感,那就是彩虹。我们知道,单色的太阳光里包含了各种波长的光线,被空中的小水滴折/反射之后,发生了色散,不同波长的光就被分解出来了,它可以反映太阳光的特性。我们把这种光经过色散后呈现出的流量和波长的联系称为光谱,它也是目前为止天文学家们研究宇宙的最重要的途径。光谱就像光的指纹,独一无二。


图7、雨后的彩虹,就像太阳光的指纹

 

同理,发光天体应该拥有它自己的指纹,也就是拥有特定的光谱,如果围绕着一个中心天体分布的几个亮点具有相同的光谱,则有可能是同一个天体的呈像。也就是说,很可能是一个引力透镜现象。当然,透镜天体需要处于观测者和源天体中间,并且要在同一条直线上。


我们来看看1979年观测到的第一个引力透镜现象,在图像中可以看到两个亮点,这两个亮点的光谱分解后几乎一样(上下两条曲线的波形几乎一致),这是人类在星系中发现引力透镜的一个主要手段。


图8、类星体0957+561的两个像的光谱,横坐标是波长,纵坐标是流量

 

之前我们提到,爱因斯坦之所以认为引力透镜场效应观测不到,是因为他只考虑了恒星范围,那么恒星和行星这一类天体的引力比较小,造成的引力透镜现象也弱了很多,但我们真的观测不到吗?这里,爱因斯坦忽略了另一个现象,就是天体总在运动。


我们已经知道,引力透镜会使源天体看起来更亮。所以当一颗行星经过我们和恒星之间时,如果发生引力透镜现象,这颗恒星的亮度可能会比平时看上去更亮,但当此行星远离我们和恒星的连接方向,就会开始变暗。利用这种亮度变化在恒星范围内发现引力透镜,是一个非常好的方法。1993年,科学家观测到在大麦哲伦星系中的一颗恒星光度增加,并认为是一个引力透镜现象,称之为“微引力透镜”,这也是人类观测到的第一个 “微引力透镜”现象。


图9、微引力透镜(图片来源:wikipedia)

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