哈勃拍攝愛因斯坦環,真的是電腦合成的嗎?引力透鏡效應是什麼樣的

這張照片是哈勃拍攝最具代表性的一張圖片,可以清楚地看到愛因斯坦環,下面我們對這張圖片做下簡單的介紹,首先一點,這張照片確實是哈勃真實拍攝的,並非是電腦合成PS的,這樣的景象也是真實存在的。

我們看到的周圍一圈發亮的光環,其實是光環中心天體後面發出的光。光環中心是一個質量非常大的星系結構,為什麼會形成這樣的現象呢?這個就是引力透鏡效應造成的。引力透鏡是根據廣義相對提出的一種現象,光經過大質量天體,時光會被彎曲,質量越大,彎曲的程度也就越大。當一個天體的質量足夠大時,它就會把它後面的光聚集到前面,形成這種放大或重影的現象。

由於這種現象與光透過透鏡時類似,所以稱為引力透鏡效應,光線可被彎曲的這種現象,這是很違揹我們第一直覺得,畢竟我們的常識中的認知一直都是我們不可能僅憑肉眼就可看到被物體擋住後面的東西,但現在廣義相對論告訴我們,只要前面物體的質量足夠大,它就會把後面物體發出的光彎到前面被我們看到,這就是廣義相對論特殊效應其中的一個,光線偏折。

1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論。1919年,英國的物理學家愛定頓就用實驗驗證了廣義相對論其中的一個特殊效應。就是光線經過大質量天體時,的確會發生偏折,這也是廣義相對立的四大驗證之一,那麼光線為什麼會被彎曲?以我們對萬有引力的瞭解,光這種東西要怎樣才能被引力束縛呢?

是得,以牛頓的萬有引力定律的確很難解釋,但廣義相對論告訴我們,這不是引力造成的,因為引力是不存在的,引力只是時空彎曲表現出來的現象。光線被彎曲,其實質就是光沿著被彎曲時空內的測地線傳播,測地線就是兩點之間最短的距離。

在我們的印象中,光是沿直線傳播的,但實質是光是沿最短路線傳播,在歐式幾何,也就是我們所說的平面內,兩點之間最短的距離當然就是直線了,但在有曲率的空間中,也就是非歐幾何當中,兩點最短的距離就是這個側地線。所以以光的角度,它行走的路線並沒有變,還是按照最短的距離,只是時空被彎曲了。那麼我們看到的就是彎曲時空中光的傳播路線。

這個是科學家最新模擬的黑洞動態圖,從這個圖可以看到完美的愛因斯坦環,黑洞本身是完全不發光的,我們現在所看到的中間那一圈光環是黑洞吸收物質時產生的吸積盤所發出的光,上下那一圈環繞的光環就是引力透鏡所形成的愛因斯坦環。由於黑洞強大的引力,使得時空發生極端的扭曲,所以黑洞後面吸積盤發出的光被彎曲到了視線前方,形成了這種圓環結構,所以不管從哪個方位都可以看到這個光環。

雖然愛因斯坦預言出光線偏折效應,但在引力透鏡這個問題上,他卻忽略了其可行性以及重要性。1936年,他在科學雜誌上發表了一篇名為《恆星透過引力場偏折光線的類透鏡現象》的文章,但這是捷克的一個工程師曼德爾計算出的結果,因為他沒有名氣,所以委託愛因斯坦代替發表。愛因斯坦是發表了,但他卻認為這種引力透鏡現象是無法觀測到的,因為恆星的引力場還不足夠強大。

1937年,加州理工學院的一個天文學家茲維基發表了一篇文章,指出了愛因斯坦忽略的問題,一個恆星的引力可能不行,但上億顆恆星組成的星系結構所形成的引力透鏡是可以被觀測到的,並且茲維基還指出,憑藉引力透鏡效應可以計算出如此巨大星系結構的質量,也可以借引力透鏡的放大效果,看到無法觀測到的微弱天體。

以現在來看,茲維基對引力透鏡的認知是非常深刻的,引力透鏡效應現在已成為宇宙學上非常重要的觀測手段,像那些我們無法看到的暗物質,就可以憑藉引力效應來觀測到它的存在,並且計算出它的質量,還有那些沒有吸積盤的黑洞,也可以用到引力透鏡效應,確定它的存在。但誰又能想到,這些都是100多年前的智慧結晶。

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