奇妙的愛因斯坦環, 讓你看見彎曲的時空, 引力透鏡效應有多牛?

引力透鏡是愛因斯坦時空彎曲理論推匯出來的一個結論,也是一個預言。許多人對時空彎曲理論嗤之以鼻,認為這種看不見摸不著的東西是科學家們憑想象隨意揣測的。

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引力透鏡的發現,給這些人扇了一個大嘴巴子。因為引力透鏡效應可以直觀地讓人們看到時空彎曲的真相,讓這個無影無蹤的時空彎曲現了形。

何謂引力透鏡效應

時空彎曲理論認為,質量會導致周邊時空形成彎曲,質量越大,距離質點越近,形成的時空彎曲就越厲害。這種彎曲的時空遠處看不見摸不著,但當物體靠近這些大質量天體時,就會被彎曲的時空改變,有被拉扯靠近的趨勢,並順著其曲率運動,這種現象以引力形式表現出來。

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這個理論完美解釋了萬有引力的根源,與之相對應的引力場論在萬有引力基礎上,修正了牛頓經典力學的一些錯誤和誤差,對天體運動和航空航天的計算更為精確。

早在1911年,愛因斯坦就提出,由於大質量天體對周邊時空造成彎曲,遠方恆星的光線,掠過太陽表面時會發生微小的偏轉。1916年,愛因斯坦發表了廣義相對論,進一步系統闡述了時空彎曲理論。

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愛因斯坦的理論驚世駭俗,在科學界引起了強烈反響。為了驗證愛因斯坦時空彎曲理論,英國天文學家愛丁頓率領一支遠征隊,不遠千里特意趕到非洲普林西比島最佳日全食觀測點。1919年5月25日,在日全食狀態下,觀測到了遠方星光經過太陽附近,發生了1。75“的偏轉。

由此驗證了愛因斯坦廣義相對論預言:物質決定時空的形狀,質量扭曲時空表現出來的引力現象,使光線發生彎曲。在宇宙中,前置大質量天體能夠增亮視線背景星系或扭曲其影象,原理類似光學透鏡的作用,因而稱為引力透鏡效應。

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引力透鏡效應一般由三個條件構成,即觀測者、前置天體、被觀測背景天體。觀測者當然是我們地球人類,透過太空望遠鏡等設施對宇宙天體進行觀測;前置天體,就是隔在被觀測背景天體與觀測者中間的透引力源天體;被觀測背景天體就是光線經過引力透鏡被人類觀測到的遠方天體。

透過觀測這些穿越引力透鏡的光源,就能知道這個透鏡的存在,由此證實了時空彎曲的存在。

引力透鏡被發現,而且越來越多

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圖為QSO 0975+561的光學成像,下方左圖是VLA成像,其中可以看到A和B和充當透鏡G,A和B映象對稱

最早發現引力透鏡效應的,是一組英美團隊的天文學家:丹尼斯·沃爾什(Dennis Walsh),羅伯特·卡斯威爾(Robert Carswell)和雷·威曼(Ray Weyman)。他們利用美國亞利桑那州基特峰國立天文臺2。1米光學望遠鏡,觀測到了兩個相鄰很近的類星體QSO0957+561A和QSO0957+561B,視角相距只有6”。

奇怪的是這兩個類星體光譜非常相似,發射線紅移都是1。405,吸收線紅移都是1。39,射電流量密度也非常接近,且視距離如此接近。最終,科學家們認為這兩個類星體實際是一個實體發生的兩個虛像,這就是愛因斯坦預言的引力透鏡效應形成的像。

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圖為類星體QSO 0957+561A和B兩個像的光譜,形狀高度相似,因此實際是經過引力透鏡的一個類星體兩個映象

經過進一步觀測計算,QSO0957+561類星體距離我們87億光年,而夾在其中間充當透鏡的天體YGKOW G1(簡稱G1)則距離我們37億光年,這個G1是一個巨大星系,形成了巨大的引力透鏡,當QSO0957+561類星體的光穿越透鏡時,得到放大並形成兩個相互映象。

1980年,韋曼等人又發現了一個看起來像三重像的類星體PG 1115+080,但其中有一個像特別亮,遠遠高於其他兩個像的亮度,後來發現這是兩個相差0。5“的像同疊的結果,因此這個被引力透鏡折射的類星體像實際上是四重像。

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這種四重像引力透鏡效應,人們把它稱為愛因斯坦十字架。

理論上,任何天體都會扭曲周邊時空,就會形成一個引力透鏡,因此可以說引力透鏡遍佈宇宙各個角落。但只有當這個“透鏡”足夠大,後面又恰好有被放大或被多重映象的天體時,這個“透鏡”才有意義,而且只有對遙遠的天體形成引力透鏡效應才更有意義。

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隨著引力透鏡發現得越來越多,人們不但發現了遙遠天體的多重映象,還發現了愛因斯坦環。所謂愛因斯坦環,就是由於引力透鏡效應影響,讓經過透鏡光源畸變成環狀,圍繞著引力透鏡的邊緣,有的是一個不完整的圓形,有的是完整的圓形。

1988年,美國天文學家休伊特等人,發現了第一個不算完整的愛因斯坦環,被命名為MG1131 + 0456;1998年,英國天文學家採用哈勃太空望遠鏡發現了第一個完整的愛因斯坦環,命名為B1938 + 666。

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這個漂亮的環不是畫上去的,而是引力透鏡效應的真實照片。

現在,引力透鏡現象在宇宙中普遍存在,根據引力源的大小,人們把引力透鏡劃分為微引力透鏡、弱引力透鏡、強引力透鏡等三個檔次。

太陽這樣的天體形成的引力透鏡就是典型的微引力透鏡,只能讓較遠天體光線經過時發生小幅偏轉;而弱引力透鏡的放大增強效應比微引力透鏡要強大,讓透過的光源變得更亮;強引力透鏡則能讓透過的光源明顯放大和改變星像,形成雙像、多重像以及環半弧和全弧。

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透過這些引力透鏡,人們能夠看到更遠更亮更多的天體。

引力透鏡效應讓人們看到更遙遠的過去

現在,科學界透過巨大高精度的各種天文望遠鏡,看到越來越遠的天體,比如發現了90多億光年距離的原始恆星,130多億光年距離的星系。但這些恆星和星系並不是望遠鏡直接看到的,而是透過前置天體的巨大引力透鏡效應,將遙遠微弱暗淡星光放大很多倍,才發現的。

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比如2016年5月,天文學家們看到了90億光年距離一顆恆星發出的光線,就是透過哈勃望遠鏡與引力透鏡結合在一起,讓這顆遙遠恆星的光明亮了很多,才被發現的。這顆恆星被命名為LS1(透鏡恆星1),暱稱為“伊卡洛斯”。

一般來說,現代太空望遠鏡很能分辨1億光年的單顆恆星,因此要尋找這種恆星都要依賴引力透鏡效應,找到正好在這顆恆星中間的前置引力源,這種引力源形成的引力透鏡一般都能輕易放大50倍,這樣就能分清1億光年距離的單顆恆星。

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而夾在LS1恆星中間的引力透鏡,將這顆恆星放大了2000倍,加上哈勃望遠鏡比人眼解析度提升6億倍的強大功能,才讓天文學家們看到了這顆恆星。

根據人眼觀測與光速的關係,看到越遠的事物,就說明這個事物的歷史越久遠。而引力透鏡讓人們看到130多億光年的天體,因此可以認為這些天體是宇宙大爆炸初期的狀態,也就是是宇宙的嬰兒狀態,對研究宇宙的演化過程起到了重大作用。

現代物理學的兩朵新烏雲

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20世紀初,科學界曾經認為,人類的物理學大廈主體本來已經落成,只剩下一些裝飾工作了,但出現了橫在人們面前有兩朵烏雲:一朵是光的波動力學,邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾;另一朵主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果,其中尤以黑體輻射理論出現的“紫外災難”最為突出。

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愛因斯坦與普朗克

這兩朵烏雲讓建立在牛頓經典力學和已形成的麥克斯韋電磁統一理論出現了危機,難道這些大廈將要傾倒或者拆掉重來?一時間物理學界籠罩在一片迷惑和惶惶中,愛因斯坦相對論和普朗克量子力學的誕生,讓物理學大廈重新撥雲見日。

由此,相對論和量子力學成為現代物理學的兩塊最重要基石,物理學從經典走向了現代。

現在,物理學又出現了兩朵更大的烏雲,而且是看不見摸不著,但卻是讓人感到無處不在的烏雲,這就是暗物質和暗能量。

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在研究宇宙天體執行規律時,人們發現總會與理論有出入,而且出入還很大。如在1933年,天體物理學家茲威基利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系的運動速度,發現這些星系速度彌散度極高,依靠星系可見質量的引力完全無法束縛這些星系,星系團早就分崩離析了。

因此他指出,在這個星系團裡一定有其他看不見的物質存在,經過測算,這種物質至少是可見物質的100倍以上。後來科學家們發現這種現象在宇宙中帶有普遍性,由此把這種看不見的物質命名為“暗物質”。

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這樣又出現了一個矛盾:如果我們宇宙普遍存在著暗物質,那相互之間引力就十分巨大,整個宇宙就應該呈現出收縮態勢。可是研究發現,宇宙還在加速膨脹,這個膨脹的力量是從何而來呢?這個力量也是看不見摸不著,於是科學家們把這種能量稱為“暗能量”。

這個暗能量有多大呢?經過宇宙膨脹與星系引力作用的一些複雜計算,人們得出了暗能量是暗物質的數倍之多。現在科學界比較多普遍的認知是,在我們宇宙,恆星、星系、星際物質等可以觀測的物質加起來只佔宇宙總量的4。9%,而暗物質所佔比例為26。8%,暗能量比例為68。3%。

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由此,我們宇宙的未來和歸宿,似乎並非由可見物質決定,而是取決於暗物質和暗能量的博弈。如果不弄清這兩朵籠罩在天體物理學上空的“烏雲”,人類就很難找到宇宙更深入的真相。但暗物質暗能量無法觀測,它們到底是什麼呢?它們在空間的分佈狀態又是怎樣的呢?這是科學界幾十年來一直想弄清楚的問題。

值得慶幸的是,引力透鏡讓暗物質現了形

暗物質由於不帶電,因此不會與光子發生作用,而人類完全是依靠光(可見光、電波和射線都是光的不同波段)來觀測物質,這樣,暗物質對人類來說就是透明的。雖然人們可以透過引力作用來計算出某個星系或星系團中暗物質的質量,但如果瞭解這些暗物質在空間的分佈呢?

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引力透鏡效應讓人們看到一線曙光。

產生引力透鏡效應的前置天體可能是巨型黑洞、星系、星系團等等,也可能是單純的暗物質團。即便在可見的星系團等天體裡,暗物質也佔據著主要地位。

暗物質雖然不發出任何輻射,不可能被直接觀測到,但既然它引力透鏡效應中發揮著重要甚至主要作用,科學家們就可以透過引力透鏡效應來分析它們在空間的分佈狀態了,由此,引力透鏡效應就成為發現宇宙暗物質的探針。

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2007年1月,歐洲和美國科學家首次公佈了局部宇宙空間暗物質分佈的三維圖,這個三維圖就是依靠引力透鏡效應得到的。這張圖集中了70位天文學家的智慧,他們合作分析了哈勃望遠鏡1000個小時拍攝的575張照片,找出了50萬個受到引力透鏡畸變的星系,製作出了這個暗物質三維圖。

這幅暗物質分佈三維圖被列入中國兩院院士評選的2007年世界十大科技成果之一。這幅圖涵蓋了六分儀座一片2。2°^2的天區,相當9個滿月的面積,距離分為30億光年、50億光年、65億光年三個層次。

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2006年8月21日,美國科學家公佈了哈勃和錢德拉兩架空間望遠鏡在2004年拍攝的一組綜合影象,這是坐落在船底座1E0657-56“子彈星系團”的綜合影象,距離我們34億光年,由兩個大星系團碰撞合併而成。

照片中有三種不同波段望遠鏡分別拍攝出來效果,有紅色高溫氣體和白色、黃色眾多星系,還有一片藍色區域,就是星系團中的暗物質。這些暗物質分佈是根據星系團形成的引力透鏡效應分析描繪出來的,影象清晰顯示了星系團碰撞過程,暗物質和普通物質的分離過程以及空間分佈狀態。

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2007年5月15日,哈勃望遠鏡公佈了星系團CL0024+17擁有暗物質環的影象,環徑達260萬光年。照片中顯示許多條藍色弧段,是被引力透鏡畸變了的一些更遙遠星系。這張照片是2004年11月,哈勃望遠鏡採用6種不同波長的濾光片曝光了14個小時得到的。

2007年8月16日和2008年8月27日,哈勃和錢德拉望遠鏡又公佈兩張類似的照片:獵戶座Abell520星系團,距離24億光年;鯨魚座MACSJ0025。4-1222星系團,距離59億光年。這些都是宇宙暗物質存在的直接證據。

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現在,科學界探索暗物質和暗能量的方法已經很多,但引力透鏡在其中一直起著無法替代的作用,而且引力透鏡還在測量哈勃常數,確定宇宙年齡等科學實踐中,也起著重要作用。這些都是愛因斯坦時空彎曲理論的後續成果,是時空彎曲的鐵證。

看了這些,你還認為時空彎曲是不存在的嗎?歡迎討論,感謝閱讀。

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