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引力透鏡:宇宙放大鏡

引力透鏡:宇宙放大鏡

「透鏡?是不是我們所熟悉的近視眼鏡或放大鏡?」

「引力怎麼也會有透鏡呢?」

愛好天文的人,喜歡凝望星空,看那點點繁星,雖不絢爛奪目,卻也璀璨迷人,然而,真實的這些星星,是我們現在看到的這個樣子、這個位置嗎?

完全不是!甚至可以說它們的本質和現象之間「謬以千里」。為什麼這麼說呢?因為這些不計其數的星星,它們發出的星光,它們發出的一切,都被引力扭曲了,我們看到的只是一個個假象,而且假得不得了。我們被「引力透鏡」完全欺騙了。

引力使光線彎曲

引力透鏡效應,又稱重力透鏡效應,這裡的透鏡不是指光學望遠鏡的鏡頭,而是愛因斯坦的「引力透鏡」,是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種現象,依據廣義相對論,由於時空在大質量天體附近會發生畸變,使光線在大質量天體附近發生彎曲,光線經過天體時,會因受到天體重力影響而彎曲。1919年,愛丁頓在觀測日食時發現了太陽對星光的這種偏轉作用,這為廣義相對論提供了實驗證據。

若遙遠的星體與地球之間有大質量的物質存在,星體的光線經過時會產生彎曲,類似於光線經過透鏡聚焦的情形,因此會觀測到圓弧狀的天體或是雙重甚至多重影像。想象一下在我們和某個遙遠天體間的直線上存在一個星系(或者星團、黑洞或隨便什麼質量巨大的東西),遙遠天體發出的光被這個星系彎折、會聚後到達地球。在我們看來,這個遙遠天體就被「放大」了,也更明亮了。這種效果與普通的玻璃或塑料透鏡是一樣的,因此可以把該星系看作一個「引力透鏡」。

截止到1990年,已經有6例被證實的引力透鏡現象,其中有兩個發現非常著名。

1987年,兩名斯坦福大學的科學家發現了一個遙遠的長達30萬光年的亮弧拱。這個弧拱被他們認為是一個距地球約500萬光年的類星體經過一個引力透鏡作用后形成的。

1988年,麻省理工學院的一名女科學家發現的愛因斯坦環更加美麗奪目。她觀測到一個被稱為MG1131+0456的無線電波源是一個環狀的類星體的像。由於是愛因斯坦最先提出大質量物體位於一個遠光源和觀察者之間會產生一圈環狀現象,所以這種像被稱為「愛因斯坦環」。

被誇大了的類星體

類星體是一種古怪的天體。它們在光學底片上的像與恆星非常相像,因此早先被當作普通的暗弱恆星。後來的觀測表明它們的紅移很大,因而必定離地球非常遙遠——幾十億乃至上百億光年。在這樣遠的距離上還能被看到的星星,顯然不會是單顆微弱的恆星。由於搞不清楚這種極遠、極小、極亮的東西到底是什麼,科學家乾脆就管它叫「類似恆星的天體」,簡稱「類星體」。幾十年來,科學家對類星體的真面目提出了多種猜測,但這些猜測都與後來觀測到的現象存在著這樣那樣的差距,令科學家們大感迷惑。

現在人們才弄清,這些差距都是引力透鏡現象引起的。美國的斯隆數字巡天計劃不久前用2.5米望遠鏡發現了一些新的類星體。出乎意料,這些類星體格外明亮。按其亮度推算,一個這樣的類星體包含著一個質量相當於30億個太陽的黑洞,而且還正在以每年吃掉100個太陽系的速度吞食物質。它們有著極大的紅移,我們目前接收到的光芒,顯示的其實是它們在宇宙大爆炸之後不足10億年時的樣子……簡直不可思議!那麼幼小的宇宙,怎麼會有這樣巨大的黑洞形成,又怎麼會有那麼多物質供它們吞食?從現行宇宙模型來看,這就像是在說摩天大樓是在一天內建起來的。

後來,美國哈佛-史密森天體物理研究所的研究人員,在一定程度上減輕了宇宙學家們的這種困惑。他們發現,這批遙遠的類星體的亮度可能有至少1/3被引力透鏡誇大了。引力透鏡使類星體看上去的亮度增加了10倍甚至100倍,如果把這個因素考慮進去,這些類星體的實際亮度就低得多,裡面所包含的黑洞自然也就大大縮水。一天搭起一間簡陋的小棚屋並不困難,但羅馬畢竟不是一天建成的,宇宙也不是。

一把好放大鏡

現在,天文學家對引力透鏡已經相當熟悉,甚至把它們當作真正的透鏡來用,試圖通過這種「引力望遠鏡」來洞悉宇宙更遙遠的地方。從這個角度講,引力透鏡是名副其實的「放大鏡」。

當然,引力透鏡不像光學透鏡那樣,可以被人類隨意打磨,也不能調整「安裝」位置。它特別挑剔成像的位置——因為引力透鏡太稀罕了。宇宙如此廣大,地球、引力透鏡以及我們迫切需要的觀測對象,能恰好處於三點一線的概率實在是太小了。從地球上觀測這個概率範圍內的恆星,大概一百萬顆里只有一顆會被引力透鏡明顯地放大。而對於離我們非常非常遠的類星體,這一比例通常被認為是千分之幾。

我們知道,強大的引力場下空間會發生彎曲,光線的路徑也就隨之發生彎曲。當我們觀察一顆星A時,如果在我們和A星之間有一個大質量天體(如黑洞)存在,空間光線就會發生彎曲、會聚。我們就會看到兩個星A的像:一個是「初像」,比較明亮,一個是「次像」,相對暗淡一些。這樣,由強大的引力場所產生的「光學透鏡」就會會聚光線,遠方的星A,在我們看來就被放大了。這是一種比較有效的、也幾乎是唯一的能在我們的銀河系中找到黑洞的方法。引力透鏡既放大了星體,又能幫助我們找到大質量物體(比如黑洞),真是一箭雙鵰。

當然,為了使得成像清晰,黑洞、星A和我們地球要嚴格地處於一條直線上。如果不是如此,「次像」就會變得模糊不清,甚至於過於暗淡而無法被觀測到。事實也是如此,至今我們還沒有在銀河系中找到比較大的引力透鏡,只是在離我們很遠的空間中,發現了引力透鏡的蹤跡。例如,被觀測的星A是一種被稱為「類星體」的傢伙,它的發光強度極大,所以「次像」也能清晰地傳到我們眼中。

微引力透鏡

引力透鏡未必就一定是大質量天體引起的,有科學家預言,質量較小的天體也能產生這種效應,被稱作「微引力透鏡」。科學家認為微引力透鏡是質量不超過太陽質量100倍的暗物質,如褐矮星或者黑洞引起的。暗物質在溫度和亮度上都與一般恆星相差甚遠,難以觀察,卻構成了宇宙90%以上的質量,尋找暗物質是當代天體物理學最重大的課題之一,而微引力透鏡可能會為此提供幫助。

由於望遠鏡解析度的限制,人們不能拍攝到「微引力透鏡」產生的虛像。當「微引力透鏡」穿過目標天體和地球之間時,目標天體發出的光線被會聚,光度暫時增加,以前科學家只能通過這種間接證據確認「微引力透鏡」的存在。

1993年,科學家觀測到了大麥哲倫星雲中的一顆恆星的光度增加,並認為這是「微引力透鏡」效應引起的。他們希望通過進一步的觀測確定這個天體的質量。

最近,一個國際天文合作組織的科學家第一次確認了銀河系中的「微引力透鏡」,這為尋找銀河系中的暗物質提供了幫助。

隨著科技水平的提高,一旦一些光學上的問題得到解決,新型天文望遠鏡用她們那美麗的大眼睛遙望宇宙時,更多更美的景象將被記錄下來,更多的引力透鏡現象也將會被發現!

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