一個(gè)藍(lán)色的星系發(fā)出的光在經(jīng)過一個(gè)明亮紅星系時(shí)，被后者的引力透鏡效應(yīng)扭曲成一個(gè)幾乎完整的環(huán)——愛因斯坦環(huán)。這個(gè)星系于2007年被斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在后續(xù)的觀測中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)不完整的環(huán)。Hubble/NASA/ESA/STS

天文詞典

我們都知道，當(dāng)一束光經(jīng)過一塊三棱鏡或者透鏡時(shí)，光的傳播路線會(huì)發(fā)生改變，這就是折射。我們平時(shí)看到的透鏡，主要有放大鏡、老花鏡中使用的凸透鏡和近視眼鏡中使用的凹透鏡。其實(shí)，除了常見的玻璃之外，物體的引力也可以讓光的路線發(fā)生變化。天體強(qiáng)大的引力還有可能形成引力透鏡現(xiàn)象。近日，美國天文學(xué)家發(fā)表論文稱，他們利用斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡研究了一個(gè)不尋常的微引力透鏡事件，發(fā)現(xiàn)了一對褐矮星雙星。

大質(zhì)量天體使光線彎曲

在愛因斯坦的理論中，產(chǎn)生引力的原因是物質(zhì)的質(zhì)量彎曲了周圍的空間與時(shí)間，當(dāng)光線經(jīng)過被物體彎曲的空間時(shí)，就走了彎路，產(chǎn)生偏折。在這個(gè)理論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦還考慮過一個(gè)問題：當(dāng)一個(gè)光源與觀測者之間恰好有一個(gè)物體時(shí)，中間那個(gè)物體產(chǎn)生的引力會(huì)不會(huì)像凸透鏡一樣將光線會(huì)聚起來？如果會(huì)，這個(gè)天體就是一個(gè)“引力透鏡”。雖然經(jīng)典力學(xué)也可以得到這個(gè)結(jié)論，但只有愛因斯坦創(chuàng)立的相對論可以正確計(jì)算出光線在物體引力作用下偏轉(zhuǎn)的角度。

愛因斯坦也是第一個(gè)對引力透鏡效應(yīng)進(jìn)行定量計(jì)算的人。他以太陽為例子計(jì)算出如果一束光要被太陽會(huì)聚到一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)與太陽的距離是地球與太陽距離的542倍。因此他認(rèn)為，恒星級(jí)天體的引力對光的折射效應(yīng)太弱了，產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)不可能被觀測到。

但宇宙中的天體系統(tǒng)并不都是單個(gè)的恒星。如果上千億顆恒星聚集而成的星系作為一個(gè)引力透鏡，產(chǎn)生的折射效應(yīng)就會(huì)很明顯。更進(jìn)一步，多個(gè)星系組成的星系團(tuán)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的引力透鏡現(xiàn)象。充當(dāng)引力透鏡的星系與星系團(tuán)分別被稱為透鏡星系與透鏡星系團(tuán)。

在透鏡星系或透鏡星系團(tuán)的作用下，遠(yuǎn)處星系或者類星體會(huì)產(chǎn)生2個(gè)、4個(gè)甚至多個(gè)像。如果光源、透鏡星系或星系團(tuán)、觀測者三者幾乎連成一條直線，透鏡星系或星系團(tuán)周圍就會(huì)形成對稱分布的4重像甚至圓環(huán)，它們被分別稱為“愛因斯坦十字架”和“愛因斯坦環(huán)”。有時(shí)，透鏡星系周圍只形成缺了一段短弧的馬蹄形結(jié)構(gòu)，或者形成一條條短弧。

1979年，天文學(xué)家用美國基特峰天文臺(tái)2.1米望遠(yuǎn)鏡首次觀測到一個(gè)類星體因引力透鏡效應(yīng)而形成的雙重像，這是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的引力透鏡現(xiàn)象。第一個(gè)完整的愛因斯坦環(huán)于1998年被哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測到，它被命名為B1938+666。在一些引力透鏡的觀測圖像中，不完整的弧形和多重像散布在透鏡星系或星系團(tuán)周圍，蔚為壯觀。

星系或者星系團(tuán)作為引力透鏡，還會(huì)對超新星甚至單個(gè)恒星產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)，讓觀測者看到超新星或者恒星的多重像。2014年，一個(gè)國際小組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首次觀測到透鏡星系讓一顆超新星產(chǎn)生4個(gè)像，恰好形成了“愛因斯坦十字架”，分布在透鏡星系的四周。這個(gè)透鏡星系位于一個(gè)巨大的星系團(tuán)之中，而這個(gè)星系團(tuán)自身也成為一個(gè)引力透鏡。理論計(jì)算表明，透鏡星系團(tuán)讓這個(gè)超新星形成3個(gè)像，而其中的一個(gè)透鏡星系又讓這3個(gè)像中的1個(gè)變?yōu)?個(gè)像，因此這個(gè)超新星共產(chǎn)生了6個(gè)像。此后，同一個(gè)小組在檢查引力透鏡超新星的圖像時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)亮度被引力透鏡顯著放大的恒星，后者也因此成為人們觀測到的最遠(yuǎn)的單個(gè)恒星。

透鏡效應(yīng)助力宇宙學(xué)研究

隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家不僅可以觀測到被當(dāng)年愛因斯坦認(rèn)定為不可能被觀測到的恒星級(jí)引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)，還可以觀測圍繞恒星的行星產(chǎn)生的更微弱的引力透鏡效應(yīng)，它們被統(tǒng)稱為“微引力透鏡”。

引力透鏡在天文研究中有非常重要的作用。除了可以看到星系、類星體、超新星的多重像、愛因斯坦十字、愛因斯坦環(huán)之外，天文學(xué)家用透鏡星系團(tuán)與透鏡星系研究極早期宇宙，將一些原本暗弱到無法被觀測到的極早期星系的光放大10倍以上，從而觀測到它們。因此哈勃太空望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行的任務(wù)之一就是利用引力透鏡觀測極早期宇宙中的黯淡星系。

引力透鏡效應(yīng)在宇宙學(xué)的研究中也有重要作用。過去的觀測與理論研究都表明，宇宙中有大量無法用任何望遠(yuǎn)鏡看到的物質(zhì)，它們被稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)的總量大約是普通物質(zhì)總量的5倍。而利用引力透鏡效應(yīng)，天文學(xué)家和宇宙學(xué)家可以更精確地確定出星系團(tuán)與星系內(nèi)的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)的分布情況，進(jìn)而確定宇宙學(xué)的一些重要參數(shù)。

恒星甚至圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星所形成的微引力透鏡效應(yīng)也有重要應(yīng)用。天文學(xué)家用它們尋找一些太陽系外的行星、黑洞、褐矮星，還用它們研究暗物質(zhì)、銀河系的盤結(jié)構(gòu)、星系內(nèi)形成恒星的快慢程度等等。

（作者單位：廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院）