本集主题：宇宙中的“放大镜”强引力透镜主讲人：尔欣中所在单位：云南大学中国西南天文研究所年，三位天文学家Walsh，Carswell和Weymann发现有两颗类星体离得非常的近，通过测量它们的光谱，三位科学家觉得这两个图像是来自同一天体。首先，我们简单讲一下什么是类星体，这是一种非常致密的天体，在天空看起来就像一颗恒星一样小，但是同时又非常的明亮，它的亮度有时能够超过整个星系的总亮度。但是为什么同一个天体在观测时会出现两个像呢？这就引出了我们这集节目的主题：“强引力透镜”。引力透镜是一种大质量物体改变其周围时空特性，从而使光线在其附近传播时路径发生弯折的现象。简单来说，引力透镜就是像它的名字一样，是由引力引起的透镜效应。就像我们拿“放大镜”去看遥远的天体，而这个放大镜不是玻璃的，而是另一个大质量的天体。所以在这个事件中至少有三个参与者，分别是观测者，非常遥远的发光天体，或者说背景天体，还有在这两者中间的一个天体。在中间的这个天体并不需要是发光，但一定要质量很大，而且恰好在观测者和背景天体的连线附近。因此背景天体发出的光在经过中间天体附近的时候，受到它的引力场的作用，传播路径发生偏折。于是在我们看来就像有个放大镜一样。天文学上研究引力透镜一般分为三个大的方向：一是强引力透镜,这个主要是当这三者比较好的处在一条直线上；二是弱引力透镜，就是这三者没有特别好的连在一条直线的情况；三是微引力透镜，主要是研究这三者在视觉上有明显地相对运动的情况。引力透镜我们今天这次主要想和大家聊的是强引力透镜。顾名思义，这种现象里引力造成的折射非常强，因此我们看到背景天体的形变就非常明显。比如背景天体是一个星系的话，我们可能看到它被扭曲成一条弧形甚至一个完整的圆环；如果背景天体是致密的点源，比如类星体的话，我们可能看到它的两个像，甚至四个像。那是因为在强引力透镜中，由于光线在传播过程中经过了不同的路径，但它们都汇聚到像平面最后成像，我们就看到了多个像，可能有人会问，这里所说的多个像哪些是实像哪些是虚像呢？其实如果按照中学课本的定义来讲，所有经过引力透镜的像都是虚像。大家可能还会问引力透镜事件在宇宙中是否是一种普遍的现象？这个问题要分情况讨论，我们之前和大家说过的三种透镜：强、弱、微透镜。弱引力透镜在宇宙天空中几乎无处不在。而强透镜和微透镜就是非常稀少的事件了。但是其实随着观测手段的进步，我们也发现了数百个强引力透镜事件。如今强引力透镜已经是天体物理中非常常用的一用手段，可以用来估计星系的质量，宇宙的膨胀速率等。爱因斯坦十字我们今天的引力透镜现象都是通过爱因斯坦的广义相对论来描述的。但是其实在那之前，科学家们已经开始讨论引力对光线传播的影响。牛顿在他的《光学》一书中已经对此有过讨论，之后很多科学家也都发表过自己的见解。然而只有在爱因斯坦得到了完整的广义相对论方程后，才推导出我们今天看来是正确的引力对光线的偏折角度，它比用牛顿理论得到的结果要大两倍。相对论给出了很多颠覆人们想象的预言，最著名的就是时间变慢和尺子变短等现象。这其中当然还包括广义相对论预言了大质量物体的周围空间会出现弯曲，所以其周围的物体包括光在运动的时候都会沿着一条弯曲的路径，简单说就是光线在传播的时候拐了个弯。有个非常著名的故事就是英国的爱丁顿爵士于年在非洲的一次日蚀中验证了广义相对论的预言，就是光线拐弯的角度其实是比牛顿理论计算出来的要大1倍。这之后呢，很多科学家对这一问题进行了讨论，但是很多人包括爱因斯坦在内都认为这种引力透镜发生的概率非常之低，基本上没有太多的机会观测到。但是在当时，他们所基于的假设都是前面的天体是一颗恒星，这种情况下发生的概率的确非常低，而且观测起来很困难。一来是当时的观测技术还比较落后，二来恒星的质量还是比较小，它们对背景天体图像的扭曲还非常弱，很难分辨出来。其实主要就是望远镜的空间分辨率还不够。但是也不是完全没有可能，我们以后可能会和大家谈论的微引力透镜现象其实描述的这种事例。在这之后FritzZwicky敏锐的发现，除了恒星之外，其实星系可能是一种更好的天体来充当引力透镜的角色。他讨论了形成弧形图像的可能性，就像月牙那种形状，以及引力透镜的一些潜在的应用。接着来到6，70年代。由于射电天文学的发展，我们发现了一种新的天体，就是我们之前提到的类星体。这是一种非常致密的天体，在天空看起来就像一颗恒星一样小，就是一个点，但是同时又非常的明亮，它的亮度有时能够超过整个星系的总亮度。类星体也叫活动星系核，具体它是什么我们可能以后还有其他老师为大家介绍，简单来说就是一个大黑洞正在吞噬周围的物质时候所发生的剧烈的活动。基于这两种原因，类星体成为引力透镜中理想的背景源。这又一次激起天文学家对引力透镜的兴趣，特别是SjurRefsdal还考虑了背景天体亮度有变化的时候所产生的时间延迟效应。所谓时间延迟效应，就是在强透镜系统中，如果背景天体呈现了两个像，这两个像的传播路径可能是不一样的，所以背景天体发出的光信号到达我们的时间就是不一样的，这个时间差就可以成为时间延迟。这种现象已经成为研究宇宙学的非常有力的一项工具。但是一直到年之前，这个领域一直被认为是不切实际的“空想”。这就引出了我们开始所讲到的事件，在这一年三位天文学家Walsh，Carswell和Weymann发现了一颗编号为+的类星体的两个像，他们通过光谱认证了这两个像是来自同一个天体。从此以后，引力透镜才真正被天文学家们所广泛接受，今天已经成为天文学中的一项重要工具。大家可能会问，研究引力透镜这有什么用处呢？用处有很多，这里给大家举两个例子：在一开始我们已经介绍了，从数学上可以计算引力透镜的折射角度与质量的关系。这里我们就可以反过来，通过观测背景天体的形变估计光线的折射角度，然后计算中间物体的质量。通常星系，星系团引力透镜中，我们通过这种方法计算出来的质量要比直接看到的东西要多很多倍，这部分多出来的东西就是暗物质。所以说引力透镜是研究暗物质的最有力手段之一。此外，在类星体的强引力透镜中，所形成的多重像经过了宇宙中不同的路径，对比这些像之间的某些性质，比如我们之前提到的时间延迟效应，我们可以测量宇宙的一些几何性质，比如宇宙是否是平坦的之类的问题。还有，我们说引力透镜就像是一个天然的宇宙放大镜。在宇宙中有很多非常遥远暗弱的天体，我们根本无法看到的。但是通过引力透镜的放大，我们就可以看到甚至细致研究这些天体。知识点总结1.什么是引力透镜？1）引力透镜是一种大质量物体改变其周围时空特性，从而使光线在其附近传播时路径发生弯折的现象。2）我们今天的引力透镜现象都是通过爱因斯坦的广义相对论来描述的。2.研究引力透镜的意义？1）可以用来测量星系/星系团/宇宙大尺度结构中暗物质的分布。2）可以用来估计宇宙在大范围上的几何效应，例如是否平坦，还有暗能量的性质等。3）在极端强引力场条件下，比如黑洞周围，可以检验广义相对论的正确性。栏目简介栏目封面知·道SET(Science,Education,Time)是一档综合科普栏目，内容包含天文、数学、物理、化学、地球、生命等学科，提供多视角，跨学科的科普内容，让更多人提升对科学的认知和兴趣。发现新知的同时，以科学的态度看懂身边事。
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