引力透镜效应

爱因斯坦广义相对论预言的现象

引力 透镜效应就是当光在 星系 、 星系团 及黑洞等具有巨大引力的 天体 附近经过时,会像通过 凸透镜 一样发生弯曲。根据变化了的光线在光谱外 波段 呈现的不规则程度,可以推算发光星系的年龄和距离。

简介

根据 广义相对论 ,引力 透镜 效应就是当背景光源发出的光在 引力场 (比如星系、星系团及黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲,可以帮助研究中间做为“透镜”的引力场的性质。根据强弱的不同, 引力 透镜现象可以分为强引力透镜效应和 弱引力透镜 效应。

一般从数学上来讲,面质量密度(κ)大于1的为强引力透镜区域,小于1的为弱引力透镜区域。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像,甚至圆弧(又称“ 爱因斯坦环 ”, 阿尔伯特·爱因斯坦 圆环 ),而弱透镜区域则只产生比较小的扭曲。强 透镜 方法通过对爱因斯坦环的 曲率 和多个像的位置的分析,可以估计测量透镜 天体 质量。弱透镜方法通过对大量背景源像的统计分析,可以估算大尺度范围天体质量分布,并被认为是现在宇宙学中最好的测量 暗物质 的方法。

发现

1979年,天文学家观测到 类星体 Q0597+561发出的光在它前方的一个 星系 的 引力 作用下弯曲,形成了一个一模一样的类星体的像。这是第一次观察到引力透镜效应。

证明理论

引力透镜效应是 阿尔伯特·爱因斯坦 广义相对论 所 预言 的一种现象,由于时空在大质量天体附近会发生畸变,使光线在大质量天体附近发生弯曲(光线沿弯曲空间的短程线传播)。对引力透镜效应的观测证明爱因斯坦的广义相对论确实是引力的正确描述。

在有些情况下,起引力 透镜 作用的 天体 是一个星系,它对光的弯曲作用能产生 类星体 或其他星系等更遥远天体的多重像。有些天文学家认为,多达2/3的已知类星体可能由于引力透镜效应而增加了亮度。研究 引力 透镜对遥远类星体光线的影响,有助于解决关于 宇宙 年龄和宇宙当前膨胀 速率 的争论。

当 银河系 中一个 暗天体 正好在一较远 恒星 (如 斐迪南·麦哲伦 云中的一颗恒星)前经过,使得它的像短暂增亮,就是较小规模的引力透镜效应。单个恒星造成的这种引力透镜有时叫做“ 微透镜 (Microlensing)”。1993年,天文学家利用微透镜效应观测到银河系中存在一种 暗物质 (dark matter),称做 MACHOs(massive compact halo objects,致密暗天体)。

应用

由多国科学家共同完成的一项研究成果表明,利用引力透镜效应这一“ 宇宙 放大镜”,借助功能更为强大的天文望远镜,天文学家有可能观测到宇宙中最早和最遥远的 星系 。

科学家们研究认为,利用这一原理,用新型第三代宽视场 照相机 、 哈勃空间望远镜 能够观测到在 红移 8-10处一些最明亮的星系,相当于年龄在650万至480万年间的早期宇宙。预计于2014年发射升空的 詹姆斯·韦伯空间望远镜 不仅能观测到相同红移处更多较暗弱的星系,还能观测到红移更高的星系。下一代大型望远镜计划,例如 中国 正在参与初期建设的国际 三十米望远镜 项目,有望使科学家们可以更好地了解这些遥远星系的 星族 特征及内部 动力学 过程。

科学家们提出,对遥远 星系 流量的测量和 计数 ,很可能会由于前景星系的放大效应而被显著扭曲。在处理未来的 中国空间站工程巡天望远镜 数据时这将是一个关键的考虑因素。沿着这条路,下一代望远镜将有可能为人类提供更精细的图片,来解释诸如 宇宙 诞生初期 银河系 这样的结构如何形成的问题。