宇宙中那许多的放大镜

来源 :科学大众·小诺贝尔 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Fllyy
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  今年4月,科学家们使用大型射电望远镜观测到120亿光年外的“火环”星系,图像很是震撼。那么,宇宙中真有“火环”星系吗?没有,它只是引力透镜的结果。那什么是引力透镜?它能带来哪些宇宙的奥秘呢?
  爱因斯坦与引力透镜
  熟悉爱因斯坦的人都知道,引力透镜是他一人研究出来的。
  1911年,在广义相对论还没有被提出来时,爱因斯坦就发表了《关于引力对光传播的影响》。文章指出,光线经过太阳附近时,由于太阳引力的作用,会产生弯曲。弯曲的角度他也算出来了,并预言这一现象可以在日全食时进行观测,同时鼓励大家去验证。
  德国天文学家弗劳德响应号召,积极地带队前去一个小岛观测。但由于第一次世界大战爆发,观测没有顺利进行。
  这可真是帮了爱因斯坦大忙,因为,他算错了!
  暗自庆幸的爱因斯坦快马加鞭,赶紧研究广义相对论。1916年,广义相对论横空出世,爱因斯坦本想借此一举成名,然而没有。因为没几个人理解他的理论,除了学术界,普通大众知道他的,恐怕也就是他的亲戚朋友了。
  1917年,爱因斯坦大病之后,坦然地向朋友们说:“我死不死无关紧要,广义相对论已经问世了,这才是真正重要的。”
  这次,爱因斯坦没有算错,他根据广义相对论,重新做了计算,准确算出了光线通过太阳时的偏折角度。于是,他再次号召大家前去验证。
  这次,响应号召的是英国天体物理学家爱丁顿。1919年,爱丁顿率队跋山涉水,终于观测到了日全食。光线经过太阳的偏折,并且偏折角度跟爱因斯坦预言的角度一样!
  从此,爱因斯坦出名了,知道他名字的不再是学术界那些人,而是全世界。
  爱丁顿也出名了,他很自豪。在一次宴席上,有一位客人对他说:“教授,听人说世界上只有3个人??不,只有两个半人懂相对论。爱因斯坦当然是一个,教授,您也是一个。”
  “嗯,不??”爱丁顿带着沉思的神情摇了摇头。“教授,不必谦虚,大家都这么说的。”
  “不,我是在想,那半个人是谁?”
  瞧,引力透镜的本质就是光线由于大质量天体的引力而发生偏折,但这还不是引力透镜的全部。
  当爱丁顿把爱因斯坦的预言实现以后,爱因斯坦进一步意识到,在合适的条件下,人们会看到一个单一来源的多个图像,并把这种现象称为“引力透镜”或“重力海市蜃楼”。
  然而,爱因斯坦在琢磨“引力透镜”的时候,只考虑了单颗恒星引力带来的效果,所以他叼着烟斗,断言:“引力透镜”这种现象很可能在可预见的未来无法观测。
  这下,爱因斯坦又失算了。
  1937年,瑞士天文学家弗里茨·兹威忽然脑洞大开,他想,既然恒星引力能对光线偏折,那么,巨大的、有千亿颗恒星的星系更能左右光线了。当遥远天体的光从星系旁经过时,产生的引力透镜现象应该能被观测到。
  爱因斯坦十字
  引力透镜不止能产生两个影像,条件合适的时候,它能产生四重影像。外围的四个影像,再加上中间的,也就是夹在后端天体与地球之间的前景星系,共同组成了“十”字状,这被称为“爱因斯坦十字”。
  爱因斯坦环
  除了“双星体”和“爱因斯坦十字”,引力透镜还会让一个天体产生更多个影像。如果条件合适,多个影像必然会连在一起,构成一个环,这就是——爱因斯坦环。
  引力透镜作何用
  对于普通大众而言,引力透镜也许就像是宇宙中的神奇魔术而已。但对于天文学家来说,它非常重要,这是爱因斯坦留给人类探索宇宙的一个非常重要的工具。
  作用之一:放大镜
  通过以上的例子,我们知道,处于一个大质量天体后方的光源,其亮度和形态都会受到放大或者变形。而“放大”的效果非常管用,因为这相当于宇宙为我们提供了一个个放大镜。本来,即使穷尽我们目前望远镜技术的极限也看不到的天体,但是因为引力透镜,结果被我们看到了。很多系外行星,就是这样被发现的。
  作用之二:质量测量
  光的偏折是由引力带来的,而引力的大小又是由物质的质量决定的。所以,引力透镜在当今天体物理学中最拿手的好戏是“质量测量”。几十亿光年之外的星系、类星体等,我们要想直接测量它们的质量真是很难。因为我们看到的星系,也许并不是星系的全部,里面的暗物质我们是看不到的。
  但是,如果其后端有天体的光射来,被星系偏折并射向地球后,被我们看到,天文学家就能根据光的偏折程度和其他参数,估算出星系或类星体的质量大小了。此方法简单、有效,异常好用。
  这还告诉我们一个事实,引力透镜是研究宇宙暗物质的好帮手。
  除了这两个应用外,其实引力透镜还有很多,未来还会有更多应用。
  宇宙广袤无边,无数的奥秘等着人类去揭开。而引力透镜,就是人类探索宇宙的好帮手,在寻找系外行星、研究暗物质等方面,它常常就是那“蛛丝马迹”。
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