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哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的一幅圖像，一個星系被涂抹在引力透鏡周圍，透鏡形成了有史以來最完整的宇宙引力愛因斯坦環(huán)之一。(圖片鳴謝:歐空局/哈勃和美國國家航空航天局，透鏡S. Jha鳴謝:L. Shatz)
（神秘的宇宙引力地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（羅伯特·李）：引力透鏡效應(yīng)是對來自背景光源的光的一種影響，它是透鏡由質(zhì)量引起的時空彎曲的結(jié)果，時空的宇宙引力三維空間和時間結(jié)合成一個單一的實體。
當(dāng)來自明亮背景光源(如恒星、透鏡類星體或整個星系)的宇宙引力光穿過一個非常大的物體(如另一個星系或星系團，被稱為透鏡物體或引力透鏡)時，透鏡這種效應(yīng)最明顯。宇宙引力
這可能有幾種結(jié)果；它可以使一個物體改變它在地球上空的透鏡明顯位置，或者它可以使一個物體出現(xiàn)在天空的宇宙引力多個點上，偶爾會產(chǎn)生壯觀的透鏡形成，如由同一物體制成的宇宙引力環(huán)和十字架。
不僅如此，引力透鏡實際上會導(dǎo)致背景物體發(fā)出的光被放大。這意味著天文學(xué)家可以將星系團產(chǎn)生的引力透鏡用作天然的宇宙放大鏡。
美國宇航局表示，這使它成為研究處于嬰兒期的宇宙的重要工具，從最早的星系發(fā)出的光通常太暗，無法通過詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等儀器觀察到。
引力透鏡是如何工作的？
1915年，阿爾伯特·愛因斯坦引入了廣義相對論，徹底改變了我們對引力的看法，這一理論有時也被稱為引力幾何理論。引力透鏡就是從這個理論中誕生的。
愛因斯坦的想法是，重力源于這樣一個事實，即質(zhì)量導(dǎo)致時空結(jié)構(gòu)彎曲，質(zhì)量越大，彎曲越大?？梢园堰@想象成把質(zhì)量越來越大的球放在拉伸的橡膠板上，保齡球比網(wǎng)球造成更大的“凹痕”。
當(dāng)然，這種彎曲對通過它的其他物質(zhì)有影響。因此，例如，由太陽引起的時空彎曲使地球保持在軌道上，而地球本身引起的彎曲使月球保持在軌道上。，2010年，第166頁]。
宇宙放大鏡：什么是引力透鏡？

這幅圖顯示了一種被稱為引力透鏡的現(xiàn)象，天文學(xué)家用它來研究非常遙遠(yuǎn)和非常暗的星系。請注意，該圖中的比例被大大夸大了。實際上，遙遠(yuǎn)的星系要遠(yuǎn)得多，也小得多。一張顯示時空彎曲如何導(dǎo)致引力透鏡化的圖表(圖片來源:美國宇航局、歐空局和l . calada)
美國理論物理學(xué)家約翰·惠勒簡潔地描述了廣義相對論的效應(yīng):“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何移動?！?br>但是，時空的曲率不僅僅影響物質(zhì)；它也影響光，這意味著光總是以直線傳播，除非它不是直線。如果這聽起來很矛盾，想想畫在紙上的一條直線。如果紙是彎曲的，線本身并沒有偏離它的路徑，但是它仍然不再是直的。光的光子穿過空間時所遵循的路徑被稱為測地線，它可以像在紙上畫的線一樣彎曲。，2010年，第133頁]。
當(dāng)光線通過由大質(zhì)量物體造成的時空彎曲區(qū)域時發(fā)生彎曲，這就產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)。，2010年，第223頁]。
直到廣義相對論，在伊薩克·牛頓的物理學(xué)中，空間和時間被認(rèn)為是宇宙事件發(fā)生的不變階段，盡管牛頓也預(yù)測了光的彎曲，但程度遠(yuǎn)不如愛因斯坦。
將時空轉(zhuǎn)變?yōu)橛钪娴囊粋€動態(tài)變化的方面是有爭議的，這意味著廣義相對論在被20世紀(jì)的物理學(xué)界接受之前需要大量的證據(jù)。幸運的是，引力透鏡正好提供了一種可預(yù)測和可觀察的效應(yīng)，可以用來提供這一證據(jù)。
引力透鏡如何證明愛因斯坦是對的
宇宙放大鏡：什么是引力透鏡？

韋伯的第一個深空是星系團SMACS 0723，它充滿了成千上萬個星系——包括紅外觀測到的最微弱的物體。JWST號捕捉到的第一張深空圖像顯示了由引力透鏡產(chǎn)生的扭曲和變形的星系，這讓薩爾瓦多·達(dá)利熔化的時鐘相形見絀。(圖片來源:美國航天局、歐空局、加空局和STScI)
廣義相對論認(rèn)為，作為引力透鏡的結(jié)果，來自背景光源的光在通過引力透鏡時發(fā)生彎曲，導(dǎo)致它發(fā)出的物體出現(xiàn)在天空中與正常情況不同的位置。
天文學(xué)家亞瑟·斯坦利·愛丁頓認(rèn)為，視位置的這一變化是證明廣義相對論的關(guān)鍵。他認(rèn)為他可以利用日食和太陽變暗來觀察由太陽質(zhì)量引起的被充分研究過的恒星的明顯位置移動。
愛丁頓利用1919年的日食來驗證這個想法，他前往巴西北部的索布拉爾觀察日食，同時另一個小組前往西非海岸的普林西皮島進行類似的觀察。
在1919年的日食中，太陽位于金牛座的一群明亮的星星Hyades的前面。光線彎曲效應(yīng)在最接近太陽盤面的地方會達(dá)到極致，幸運的是，在日食期間，在太陽盤面附近可以看到許多Hyades恒星。
盡管在兩次探險中遇到了許多技術(shù)問題，但愛丁頓和天文學(xué)家安德魯·克勞德·德拉切羅伊斯·克羅梅林領(lǐng)導(dǎo)的第二個團隊觀察到了這些恒星的光線偏轉(zhuǎn)，這是太陽進入它們和地球之間的結(jié)果，這與廣義相對論的預(yù)測一致。表觀位置的變化是牛頓引力理論預(yù)測的兩倍。
雖然這些發(fā)現(xiàn)并非沒有爭議，但在此之后進行的許多類似的日食實驗進一步證實了引力透鏡和大質(zhì)量物體的空間彎曲，并揭示了更多關(guān)于這一由引力引起的令人難以置信的現(xiàn)象。
引力透鏡的類型
根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校的說法，引力透鏡有三種主要類型，強透鏡、弱透鏡和微透鏡。
強引力透鏡效應(yīng)
顧名思義，強透鏡效應(yīng)是其中最極端的一種，當(dāng)引力透鏡特別大，并且被透鏡化的背景光源接近它時就會發(fā)生。這意味著來自這個光源的光可以通過多條路徑通過引力透鏡，這取決于它的路徑距離它有多近。因此，來自單個物體的強透鏡光可以在不同的時間到達(dá)觀察者。
如果被透鏡化的背景物體隨時間變化，那么它的多個圖像也將變化。加州大學(xué)伯克利分校解釋說，這不僅可以用來跟蹤超新星等爆炸事件的發(fā)展，大質(zhì)量恒星的爆炸死亡，還可以用來測量宇宙膨脹的速度，即所謂的哈勃常數(shù)。
強引力透鏡效應(yīng)的結(jié)果
第一次從一個物體上看到多個圖像是在1979年，當(dāng)時天文學(xué)家看到了一個類星體的雙重圖像，這被稱為“孿生類星體”，有點不準(zhǔn)確。
起初，天文學(xué)家認(rèn)為這是兩個獨立的類星體，命名為Q0957+561 A和B，研究了它們的無線電和可見光光譜，發(fā)現(xiàn)它們是相同的。由丹尼斯·沃爾什領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家小組得出結(jié)論，這兩個孿生類星體實際上是同一物體，來自它們的光在類星體和地球之間的一個微弱但可探測的星系周圍走了不同的路徑，該星系充當(dāng)了引力透鏡[R. J. A .蘭伯恩。，2010年，第223頁]。
自1979年以來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，斯坦格引力透鏡可以創(chuàng)造一些怪異和奇妙的表現(xiàn)。
根據(jù)歐空局的說法，強引力透鏡化的結(jié)果取決于進行透鏡化的物體的形狀。最簡單的引力透鏡發(fā)生在單個物體扭曲時空和彎曲光線的時候。
如果引力透鏡是球形的，那么它就產(chǎn)生了所謂的愛因斯坦環(huán)，其中單個物體以圓形排列重復(fù)出現(xiàn)。如果引力透鏡物體被拉長，例如像一些星系，背景物體被復(fù)制成十字形排列，稱為愛因斯坦十字。
宇宙放大鏡：什么是引力透鏡？

歐空局的插圖顯示了不同形狀的引力透鏡產(chǎn)生的不同排列。(圖片來源:歐洲航天局)
ESA補充說，當(dāng)透鏡物體是不規(guī)則形狀或大質(zhì)量物體的排列時，如星系團，會發(fā)生更復(fù)雜的引力透鏡現(xiàn)象。在這些情況下，對背景源的影響是扭曲它們的外觀，在圖像上涂抹它們，使它們看起來像弧形，甚至像太妃糖一樣被拉伸。
這種驚人的效果在詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)向公眾提供的第一幅圖像中呈現(xiàn)的弧形和漩渦中尤為突出，這是美國總統(tǒng)喬·拜登于2022年7月11日透露的星系團SMACS 0723的深視場圖像。
可以研究這些由充當(dāng)引力透鏡的星系團產(chǎn)生的涂片，以評估這些星系團內(nèi)的質(zhì)量分布。這對天文學(xué)家研究星系周圍暗物質(zhì)的分布特別有用。
盡管暗物質(zhì)不與電磁輻射相互作用，因此不發(fā)射、吸收或反射光，但它確實具有質(zhì)量，這意味著它扭曲時空并與引力相互作用，就像構(gòu)成星系可見組成部分的“普通物質(zhì)”一樣。
這意味著通過觀察由一個星系或一個星系團引起的引力透鏡化的數(shù)量，然后將其與聚集中的可見物質(zhì)(如恒星和熱氣)引起的透鏡化進行比較，天文學(xué)家可以確定存在多少不可見的暗物質(zhì)以及它們是如何分布的。
弱和微引力透鏡
當(dāng)引力透鏡不足以在宇宙的同一視圖中產(chǎn)生同一物體的多個實例或創(chuàng)建視覺上引人注目的模糊星系時，弱透鏡就會發(fā)生。弱透鏡仍然會導(dǎo)致一些扭曲，但這在單個星系上是看不到的，所以真正看到弱透鏡效應(yīng)的唯一方法是觀察許多星系，并對它們的影響進行平均。
強引力透鏡和弱引力透鏡來自難以置信的大質(zhì)量物體，如星系或星系團，但更小的物體也可以扭曲時空和轉(zhuǎn)移光的路徑。引力微透鏡[R. J. A .蘭伯恩。，2010，第225頁]當(dāng)一個透鏡物體的質(zhì)量類似于太陽或數(shù)倍于我們的恒星時就會發(fā)生。
雖然重力微透鏡造成的扭曲可能太細(xì)微而無法察覺，但它確實讓物體變亮了。這意味著重力微透鏡可以通過監(jiān)測被充分研究的恒星的亮度變化來使用。一顆遙遠(yuǎn)的恒星在幾天或幾周內(nèi)變亮，這表明一個致密而黑暗的看不見的物體從這些恒星面前經(jīng)過，導(dǎo)致它們暫時被透鏡化。
微透鏡已經(jīng)成為探測黑洞的一種可行方法，黑洞不會從作為其邊界的光捕獲表面(稱為事件視界)以外發(fā)射任何光，因此除非它們在周圍的氣體和塵埃中創(chuàng)造動蕩和暴力的條件，使其發(fā)光，否則無法看到黑洞。這是因為它們?nèi)匀粨碛匈|(zhì)量，黑洞仍然扭曲空間，因此仍然產(chǎn)生少量的引力透鏡。
JWST和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡如何利用引力透鏡來回顧過去
當(dāng)來自遙遠(yuǎn)的早期星系的光傳播到地球時，它失去了能量，因此變得更暗。這意味著早期星系非常微弱，即使是人類創(chuàng)造的最強大的設(shè)備也看不到。除非他們從一個整個星系團大小的放大鏡那里得到幫助。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)很好地利用了引力透鏡引起的光的放大，并利用它來研究早期星系的結(jié)構(gòu)。自1990年以來一直在研究宇宙的哈勃，從地球上方的位置，不受地球大氣層的模糊影響，可以看到地基望遠(yuǎn)鏡不會看到的引力透鏡早期星系。
這有助于開創(chuàng)性的望遠(yuǎn)鏡研究星系的結(jié)構(gòu)，如果不使用引力透鏡，甚至哈勃的新的，更強大的合作伙伴，根據(jù)美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)也無法看到。
JWST已經(jīng)跟隨哈勃的腳步，利用引力透鏡產(chǎn)生了巨大的效果，并在星系團透鏡周圍產(chǎn)生了扭曲和模糊的星系圖像，這種方式會讓抽象畫家薩爾瓦多·達(dá)利感到自豪。
自2022年年中上線以來，僅在第一年的運行中，JWST就在哈勃的工作基礎(chǔ)上利用引力透鏡看到了迄今為止已知的最遙遠(yuǎn)、也是最早的四個星系。這些星系，JADES-GS-z10–0，JADES-GS-z11–0，JADES-GS-z12–0和JADES-GS-z13–0，存在于138億歲的宇宙大約3.5億歲的時候。
專家解答的引力透鏡常見問題
我們向多倫多大學(xué)大衛(wèi)·鄧?yán)仗煳暮吞祗w物理系的博士生陳驍強詢問了一些關(guān)于引力透鏡的常見問題。
陳驍強的個人資料
陳驍強是多倫多大學(xué)大衛(wèi)·鄧?yán)仗煳膶W(xué)和天體物理學(xué)系的博士生。他專門研究宇宙學(xué)、宇宙微波背景、數(shù)據(jù)建模和分析。
什么是引力透鏡，是什么導(dǎo)致了它？
引力透鏡是指光線被具有很強引力的物體偏轉(zhuǎn)。我們通常認(rèn)為光是直線傳播的。例如，你可以看到蠟燭上的火，因為它的光直射到你的眼睛。有時光線的路徑會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，我們通常稱之為透鏡效應(yīng)。在日常生活中，當(dāng)光從一種介質(zhì)傳播到另一種密度不同的介質(zhì)時，我們會看到這種情況。這就是眼鏡的工作原理。引力透鏡也指的是光路的彎曲，但這次是由于引力！就像重力如何影響規(guī)則物體的路徑一樣，光線可以被質(zhì)量非常大的物體偏轉(zhuǎn)。
引力透鏡什么時候發(fā)生？
需要三樣?xùn)|西！首先，我們需要一個觀察者。這通常是地球上的某個人，或者一架望遠(yuǎn)鏡。接下來，我們需要一個鏡頭。同樣，需要非常大的質(zhì)量才能顯著改變光的路徑，所以這通常是一個星系或星系團。最后，我們需要一個帶透鏡的光源。從觀察者的角度來看，引力透鏡的幾何形狀通常要求光源在透鏡后面。這種特殊的結(jié)構(gòu)意味著我們很少觀察到引力透鏡物體。
天文學(xué)家如何利用引力透鏡？
要使光線明顯偏離原來的路徑，需要很大的質(zhì)量。通常需要一個星系甚至一個星系團的質(zhì)量。這就是為什么引力透鏡通常只能在宇宙尺度上觀察到。就像放大鏡一樣，透鏡光可以被放大或縮小。如果從遠(yuǎn)處射向我們的光被位于其間的大質(zhì)量星系所透鏡化，那么我們可以利用放大的(因此更亮的)圖像來更詳細(xì)地研究它們。我們還可以通過研究透鏡對周圍光線的折射程度來了解透鏡本身的質(zhì)量。
為什么它對觀察早期星系有用？
光速是一個有限的量，所以光穿越宇宙距離需要時間。早期星系的“回望時間”告訴我們，我們能看到的星系位于非常遙遠(yuǎn)的地方。由于它們的表觀大小和亮度，這使得它們很難觀察到，這些遙遠(yuǎn)星系的引力透鏡圖像(特別是放大的版本)可以更好地觀察和研究，因為它們比沒有透鏡的對應(yīng)星系更亮。我喜歡把它想象成我們正在把那些遙遠(yuǎn)的星系放在顯微鏡下(當(dāng)然，這不是實際發(fā)生的事情，但想法是相似的)。
引力透鏡和暗物質(zhì)有什么關(guān)系？
暗物質(zhì)是任何與引力相互作用(就像普通物質(zhì)一樣)但不直接發(fā)射或吸收光的物質(zhì)。天文學(xué)家知道它的存在，因為我們在宇宙尺度上看到了重力的影響，他們觀察到了比可見物質(zhì)所能解釋的更強的重力效應(yīng)。同樣的事情也適用于引力透鏡。圖像被引力透鏡放大的程度比透鏡中可見物質(zhì)所能解釋的要大得多。如果我們將我們在星系中看到的氣體和恒星的質(zhì)量與我們從引力透鏡推斷的質(zhì)量進行比較，我們往往會注意到有很多質(zhì)量是我們看不到的。然后，我們可以推斷出，為了讓我們觀察到這樣的透鏡化程度，透鏡中必須存在多少暗物質(zhì)。
有不同類型的引力透鏡嗎
是??！引力透鏡有幾種類型，但它們可以用光路被引力偏轉(zhuǎn)的相同現(xiàn)象來描述。有時，天文學(xué)家區(qū)分強透鏡和弱透鏡，這是指光的路徑被偏轉(zhuǎn)了多少(原始路徑和偏轉(zhuǎn)路徑之間的角度)。正如我之前所描述的，圖像可以被放大或縮小，但它們也可以被扭曲，天文學(xué)家稱之為剪切透鏡。天文學(xué)家有時也區(qū)分被觀察的光的類型。星系透鏡化通常用可見光來觀察。我們還可以用大爆炸留下的微波光來觀察引力透鏡！
你如何在你的研究中使用引力透鏡？
我研究引力透鏡對大爆炸產(chǎn)生的宇宙背景輻射(也稱為宇宙微波背景或CMB)的影響。這是大爆炸留下的殘余光線，我們幾乎可以從各個方向觀察到它。從某種意義上來說，它是引力透鏡的完美光源，因為這種光來自大爆炸后形成的所有宇宙結(jié)構(gòu)和星系的背后。問題是我們不知道最初的CMB是什么樣子，因為我們只能觀察到有透鏡的版本。我的研究重點是利用我們對引力透鏡如何工作的了解，來解開觀測到的CMB中關(guān)于宇宙大質(zhì)量結(jié)構(gòu)的信息。
額外資源
廣義相對論解釋說，除了引力透鏡效應(yīng)，質(zhì)量導(dǎo)致的時空彎曲還會引發(fā)其他令人震驚的現(xiàn)象。一個例子是“幀拖動”，其中一個巨大質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)物體實際上拖動空間和時間。2015年，加州大學(xué)伯克利分校的一名天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一顆遙遠(yuǎn)的超新星被一個巨大的星系透鏡化了四次，形成了一個爆炸的愛因斯坦十字。

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