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引力透镜:宇宙中的放大镜

 2019/4/18 8:44:18 学术科普 作者:科技日报 我有话说(0人评论) 字体大小:+

一个蓝色的星系发出的光在经过一个明亮红星系时,被后者的引力透镜效应扭曲成一个几乎完整的环——爱因斯坦环。这个星系于2007年被斯隆数字巡天望远镜发现,哈勃太空望远镜在后续的观测中发现了这个不完整的环。Hubble/NASA/ESA/STS

天文词典

我们都知道,当一束光经过一块三棱镜或者透镜时,光的传播路线会发生改变,这就是折射。我们平时看到的透镜,主要有放大镜、老花镜中使用的凸透镜和近视眼镜中使用的凹透镜。其实,除了常见的玻璃之外,物体的引力也可以让光的路线发生变化。天体强大的引力还有可能形成引力透镜现象。近日,美国天文学家发表论文称,他们利用斯皮策空间望远镜和地面望远镜研究了一个不寻常的微引力透镜事件,发现了一对褐矮星双星。

大质量天体使光线弯曲

在爱因斯坦的理论中,产生引力的原因是物质的质量弯曲了周围的空间与时间,当光线经过被物体弯曲的空间时,就走了弯路,产生偏折。在这个理论的基础上,爱因斯坦还考虑过一个问题:当一个光源与观测者之间恰好有一个物体时,中间那个物体产生的引力会不会像凸透镜一样将光线会聚起来?如果会,这个天体就是一个“引力透镜”。虽然经典力学也可以得到这个结论,但只有爱因斯坦创立的相对论可以正确计算出光线在物体引力作用下偏转的角度。

爱因斯坦也是第一个对引力透镜效应进行定量计算的人。他以太阳为例子计算出如果一束光要被太阳会聚到一个点,这个点与太阳的距离是地球与太阳距离的542倍。因此他认为,恒星级天体的引力对光的折射效应太弱了,产生的引力透镜效应不可能被观测到。

但宇宙中的天体系统并不都是单个的恒星。如果上千亿颗恒星聚集而成的星系作为一个引力透镜,产生的折射效应就会很明显。更进一步,多个星系组成的星系团会产生更强烈的引力透镜现象。充当引力透镜的星系与星系团分别被称为透镜星系与透镜星系团。

在透镜星系或透镜星系团的作用下,远处星系或者类星体会产生2个、4个甚至多个像。如果光源、透镜星系或星系团、观测者三者几乎连成一条直线,透镜星系或星系团周围就会形成对称分布的4重像甚至圆环,它们被分别称为“爱因斯坦十字架”和“爱因斯坦环”。有时,透镜星系周围只形成缺了一段短弧的马蹄形结构,或者形成一条条短弧。

1979年,天文学家用美国基特峰天文台2.1米望远镜首次观测到一个类星体因引力透镜效应而形成的双重像,这是第一个被发现的引力透镜现象。第一个完整的爱因斯坦环于1998年被哈勃太空望远镜观测到,它被命名为B1938+666。在一些引力透镜的观测图像中,不完整的弧形和多重像散布在透镜星系或星系团周围,蔚为壮观。

星系或者星系团作为引力透镜,还会对超新星甚至单个恒星产生引力透镜效应,让观测者看到超新星或者恒星的多重像。2014年,一个国际小组利用哈勃太空望远镜首次观测到透镜星系让一颗超新星产生4个像,恰好形成了“爱因斯坦十字架”,分布在透镜星系的四周。这个透镜星系位于一个巨大的星系团之中,而这个星系团自身也成为一个引力透镜。理论计算表明,透镜星系团让这个超新星形成3个像,而其中的一个透镜星系又让这3个像中的1个变为4个像,因此这个超新星共产生了6个像。此后,同一个小组在检查引力透镜超新星的图像时,发现一个亮度被引力透镜显著放大的恒星,后者也因此成为人们观测到的最远的单个恒星。

透镜效应助力宇宙学研究

随着观测技术的发展,天文学家不仅可以观测到被当年爱因斯坦认定为不可能被观测到的恒星级引力透镜产生的效应,还可以观测围绕恒星的行星产生的更微弱的引力透镜效应,它们被统称为“微引力透镜”。

引力透镜在天文研究中有非常重要的作用。除了可以看到星系、类星体、超新星的多重像、爱因斯坦十字、爱因斯坦环之外,天文学家用透镜星系团与透镜星系研究极早期宇宙,将一些原本暗弱到无法被观测到的极早期星系的光放大10倍以上,从而观测到它们。因此哈勃太空望远镜执行的任务之一就是利用引力透镜观测极早期宇宙中的黯淡星系。

引力透镜效应在宇宙学的研究中也有重要作用。过去的观测与理论研究都表明,宇宙中有大量无法用任何望远镜看到的物质,它们被称为暗物质。暗物质的总量大约是普通物质总量的5倍。而利用引力透镜效应,天文学家和宇宙学家可以更精确地确定出星系团与星系内的普通物质与暗物质的分布情况,进而确定宇宙学的一些重要参数。

恒星甚至围绕恒星运转的行星所形成的微引力透镜效应也有重要应用。天文学家用它们寻找一些太阳系外的行星、黑洞、褐矮星,还用它们研究暗物质、银河系的盘结构、星系内形成恒星的快慢程度等等。

(作者单位:广西大学物理科学与工程技术学院)

(来源:科技日报)