引力透鏡-宇宙中的放大鏡

如果想要觀測到更遙遠的宇宙，我們需要更多探測到更多的光亮。就拿熟知的燭光和亮燈來說，放在離我們越遠的距離，它們的光亮也就越暗淡、越微弱、越難被看到。遠處的星星和宇宙也是一樣，在天文學里，觀測一個物體的能力完全取決於能從該物體上探測到多少光子。

△ 集光能力決定了能觀測到多少細節。（© ESO/OWL project）

一般來說，加強光子探測能力的方法有兩種，一是製造更大的望遠鏡，從而使收集光的能力加強；二是延長對目標物體觀測的時間，從而增加光的探測總量。當然啦，我們也可以通過提高光聚集的效率，比如把望遠鏡送到太空里去，就不用和大氣搏鬥了；又比如設置更精密高端的自適應光學系統，從而降低雜訊，使得每一個光子都更耀眼。但在這些都做到后，我們還是受限於能夠聚集的光量。

除了斥巨資造更大的望遠鏡和花長時間觀測一個目標之外，還有沒有別的方法可以優化對遙遠星體的觀測呢？當然有，愛因斯坦在廣義相對論里就預測了一個神奇的現象——引力透鏡效應，而正是引力透鏡，幫助我們更輕鬆的了解遙遠的星體。

△ 描述了引力透鏡的工作原理。（© NASA/ESA）

如果你對廣義相對論的概念一無所知，只要記住下面這點：廣義相對論的核心思想是空間和時間不再是獨立的，而是互相編製而成的一個單一、連續、不可分割的構造，即「時空」。所有的粒子都在時空里穿梭，而物質和能量的存在彎曲了時空本身。上世紀30年代，弗里茨·茲威基意識到當背景光遠發出的光在引力場，像星系、星系團附近經過時，光線會像通過透鏡一樣彎曲，這個質量巨大的物體也便像放大鏡一樣放大它身後的物體。

△（© ESO/R.Massey）

根據背景光源和前景光源的方向，引力透鏡有幾種不同的表現形式，因為光線扭曲的方向不同，同一物體也可被呈現出多重不同的像，所成的像也會產生畸變，或成枕形、或成橢圓形。在「恰到好處」的角度，產生的畸變會極度嚴重使得成像被伸展成圓環形，這就是人們所說的愛因斯坦環。但這些情況都有一個共性即：在引力透鏡效應的作用下，物體的像都被放大，亮度也被大大提高。

△ 哈勃和斯皮策太空望遠鏡分別拍攝到的EGSY8p7星系。（© NASA）

第一個引力透鏡是在理論完善後的40年才被真正發現，現如今，引力透鏡已成為觀測超遠距離星系最得力的幫手。雖然我們對它還沒有辦法進行精準的操控（畢竟它想出現在哪，宇宙說了算，我們能做的只是觀看），但它包羅萬象，只要用適合的方法在正確的波段對它進行足夠長時間的觀測，便能在更遙遠的宇宙里發現更多的星體。

△ 哈勃超深空（© NASA/ESA/R.Bowwens & G.Illingsworth）

更好的望遠鏡、更先進的科學技術和更多的觀測時間都能有效幫助我們更好的探索宇宙。宇宙里存在的質量、時空所具有的特性，才能讓遙遠的宇宙釋放出更多的光亮，而這也是任何人造望遠鏡都無法與之媲美宇宙終極放大鏡！