宇宙放大鏡：什么是引力透鏡？

 人參與 | 時(shí)間：2025-11-22 23:52:14
宇宙放大鏡：什么是宇宙引力引力透鏡？
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的一幅圖像，一個(gè)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珠海斗門高級(jí)外圍上門資源vx《749-3814》提供外圍女上門服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)愛因斯坦環(huán)之一。(圖片鳴謝:歐空局/哈勃和美國(guó)國(guó)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(guó)太空網(wǎng)（羅伯特·李）：引力透鏡效應(yīng)是對(duì)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(shí)空彎曲的結(jié)果，時(shí)空的宇宙引力三維空間和時(shí)間結(jié)合成一個(gè)單一的實(shí)體。
當(dāng)來自明亮背景光源(如恒星、透鏡類星體或整個(gè)星系)的宇宙引力光穿過一個(gè)非常大的物體(如另一個(gè)星系或星系團(tuán)，被稱為透鏡物體或引力透鏡)時(shí)，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(gè)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(gè)物體出現(xiàn)在天空的宇宙引力多個(gè)點(diǎn)上，偶爾會(huì)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(shí)際上會(huì)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(tuán)產(chǎn)生的引力透鏡用作天然的宇宙放大鏡。
美國(guó)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(duì)論，徹底改變了我們對(duì)引力的看法，這一理論有時(shí)也被稱為引力幾何理論。引力透鏡就是從這個(gè)理論中誕生的。
愛因斯坦的想法是，重力源于這樣一個(gè)事實(shí)，即質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)彎曲，質(zhì)量越大，彎曲越大。可以把這想象成把質(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(duì)通過它的珠海斗門高級(jí)外圍上門資源vx《749-3814》提供外圍女上門服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)其他物質(zhì)有影響。因此，例如，由太陽引起的時(shí)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(qǐng)注意，該圖中的比例被大大夸大了。實(shí)際上，遙遠(yuǎn)的星系要遠(yuǎn)得多，也小得多。一張顯示時(shí)空彎曲如何導(dǎo)致引力透鏡化的圖表(圖片來源:美國(guó)宇航局、歐空局和l . calada)
美國(guó)理論物理學(xué)家約翰·惠勒簡(jiǎn)潔地描述了廣義相對(duì)論的效應(yīng):“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何移動(dòng)。”
但是，時(shí)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(shí)所遵循的路徑被稱為測(cè)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(shí)空彎曲區(qū)域時(shí)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(duì)論，在伊薩克·牛頓的物理學(xué)中，空間和時(shí)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(cè)了光的彎曲，但程度遠(yuǎn)不如愛因斯坦。
將時(shí)空轉(zhuǎn)變?yōu)橛钪娴囊粋€(gè)動(dòng)態(tài)變化的方面是有爭(zhēng)議的，這意味著廣義相對(duì)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(yùn)的是，引力透鏡正好提供了一種可預(yù)測(cè)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(duì)的
宇宙放大鏡：什么是引力透鏡？
韋伯的第一個(gè)深空是星系團(tuán)SMACS 0723，它充滿了成千上萬個(gè)星系——包括紅外觀測(cè)到的最微弱的物體。JWST號(hào)捕捉到的第一張深空?qǐng)D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(shí)鐘相形見絀。(圖片來源:美國(guó)航天局、歐空局、加空局和STScI)
廣義相對(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)。
愛丁頓利用1919年的日食來驗(yàn)證這個(gè)想法，他前往巴西北部的索布拉爾觀察日食，同時(shí)另一個(gè)小組前往西非海岸的普林西皮島進(jìn)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(huì)達(dá)到極致，幸運(yùn)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(xiǎn)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(gè)團(tuán)隊(duì)觀察到了這些恒星的光線偏轉(zhuǎn)，這是太陽進(jìn)入它們和地球之間的結(jié)果，這與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)一致。表觀位置的變化是牛頓引力理論預(yù)測(cè)的兩倍。
雖然這些發(fā)現(xiàn)并非沒有爭(zhēng)議，但在此之后進(jìn)行的許多類似的日食實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)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(qiáng)透鏡、弱透鏡和微透鏡。
強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)
顧名思義，強(qiáng)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(shí)就會(huì)發(fā)生。這意味著來自這個(gè)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(gè)物體的強(qiáng)透鏡光可以在不同的時(shí)間到達(dá)觀察者。
如果被透鏡化的背景物體隨時(shí)間變化，那么它的多個(gè)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(cè)量宇宙膨脹的速度，即所謂的哈勃常數(shù)。
強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)的結(jié)果
第一次從一個(gè)物體上看到多個(gè)圖像是在1979年，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家看到了一個(gè)類星體的雙重圖像，這被稱為“孿生類星體”，有點(diǎn)不準(zhǔn)確。
起初，天文學(xué)家認(rèn)為這是兩個(gè)獨(dú)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(gè)孿生類星體實(shí)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(gè)微弱但可探測(cè)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(qiáng)引力透鏡化的結(jié)果取決于進(jìn)行透鏡化的物體的形狀。最簡(jiǎn)單的引力透鏡發(fā)生在單個(gè)物體扭曲時(shí)空和彎曲光線的時(shí)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(gè)物體以圓形排列重復(fù)出現(xiàn)。如果引力透鏡物體被拉長(zhǎng)，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(bǔ)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(shí)，如星系團(tuán)，會(huì)發(fā)生更復(fù)雜的引力透鏡現(xiàn)象。在這些情況下，對(duì)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(guó)總統(tǒng)喬·拜登于2022年7月11日透露的星系團(tuán)SMACS 0723的深視場(chǎng)圖像。
可以研究這些由充當(dāng)引力透鏡的星系團(tuán)產(chǎn)生的涂片，以評(píng)估這些星系團(tuán)內(nèi)的質(zhì)量分布。這對(duì)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(shí)具有質(zhì)量，這意味著它扭曲時(shí)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(gè)星系或一個(gè)星系團(tuán)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(jìn)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(gè)實(shí)例或創(chuàng)建視覺上引人注目的模糊星系時(shí)，弱透鏡就會(huì)發(fā)生。弱透鏡仍然會(huì)導(dǎo)致一些扭曲，但這在單個(gè)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(duì)它們的影響進(jìn)行平均。
強(qiáng)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(tuán)，但更小的物體也可以扭曲時(shí)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(gè)透鏡物體的質(zhì)量類似于太陽或數(shù)倍于我們的恒星時(shí)就會(huì)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(shí)讓物體變亮了。這意味著重力微透鏡可以通過監(jiān)測(cè)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(gè)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(shí)被透鏡化。
微透鏡已經(jīng)成為探測(cè)黑洞的一種可行方法，黑洞不會(huì)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?cè)谥車臍怏w和塵埃中創(chuàng)造動(dòng)蕩和暴力的條件，使其發(fā)光，否則無法看到黑洞。這是因?yàn)樗鼈內(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(shí)，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(qiáng)大的設(shè)備也看不到。除非他們從一個(gè)整個(gè)星系團(tuán)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(huì)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(qiáng)大的合作伙伴，根據(jù)美國(guó)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(tuán)透鏡周圍產(chǎn)生了扭曲和模糊的星系圖像，這種方式會(huì)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(yùn)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(gè)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(shí)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(qiáng)詢問了一些關(guān)于引力透鏡的常見問題。
陳驍強(qiáng)的個(gè)人資料
陳驍強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)樗墓庵鄙涞侥愕难劬ΑＳ袝r(shí)光線的路徑會(huì)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(shí)，我們會(huì)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(shí)候發(fā)生？
需要三樣?xùn)|西！首先，我們需要一個(gè)觀察者。這通常是地球上的某個(gè)人，或者一架望遠(yuǎn)鏡。接下來，我們需要一個(gè)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(gè)星系或星系團(tuán)。最后，我們需要一個(gè)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(gè)星系甚至一個(gè)星系團(tuán)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(duì)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(duì)觀察早期星系有用？
光速是一個(gè)有限的量，所以光穿越宇宙距離需要時(shí)間。早期星系的“回望時(shí)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?yàn)樗鼈儽葲]有透鏡的對(duì)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(shí)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?yàn)槲覀冊(cè)谟钪娉叨壬峡吹搅酥亓Φ挠绊懀麄冇^察到了比可見物質(zhì)所能解釋的更強(qiáng)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?cè)谛窍抵锌吹降臍怏w和恒星的質(zhì)量與我們從引力透鏡推斷的質(zhì)量進(jìn)行比較，我們往往會(huì)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
是啊！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(shí)，天文學(xué)家區(qū)分強(qiáng)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(shí)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(duì)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(gè)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?yàn)檫@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?yàn)槲覀冎荒苡^察到有透鏡的版本。我的研究重點(diǎn)是利用我們對(duì)引力透鏡如何工作的了解，來解開觀測(cè)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(duì)論解釋說，除了引力透鏡效應(yīng)，質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空彎曲還會(huì)引發(fā)其他令人震驚的現(xiàn)象。一個(gè)例子是“幀拖動(dòng)”，其中一個(gè)巨大質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)物體實(shí)際上拖動(dòng)空間和時(shí)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(gè)巨大的星系透鏡化了四次，形成了一個(gè)爆炸的愛因斯坦十字。 頂: 68踩: 7