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引力透镜和弯曲的光线

已有 4752 次阅读 2010-8-24 09:58 |个人分类:航天|系统分类:科普集锦|关键词:引力透镜,弯曲,光线,爱因斯坦,航天飞机,航天| 弯曲, 爱因斯坦, 航天飞机, 光线, 引力透镜

作者:蒋迅

1919年11月6日下午,在伦敦的古皇家学会总部的优雅会议室里,欧洲最重要的物理学家和天文学家聚集在这里仔细地听着两位著名学者克罗姆林 (Crommelin) 博士和爱丁敦教授 (Eddington) 描述他们在巴西沿海和西非沿海的最新的观测的研究结果。他们选择了一些平时只有在黑天才能观测到的星星,然后在日食发生时拍下了一些它们的照片。这看起来似乎很平常,但是当他们检查这些照片的时候,他们发现,它们的位置并不是在它们应有的位置上,而是好像突然跳到一边去。当然这是不可能的事情。但他们的观测却证明这实实在在地发生了。地球上或者宇宙中发生了什么呢?

这时在听众中有一个人对这样的结果一点儿不惊讶,他就是爱因斯坦 (Einstein) 。事实上,他感到无比的放松和喜悦。爱因斯坦早在他们观测之前就已经知道他们将会看到什么。早在1915年爱因斯坦就断言,当来自遥远的星球的光线从太阳边掠过时,光线会发生弯曲。对于地球上的观测者来说,这就好像遥远的星球移动了似的。爱因斯坦甚至预测了星球移动的距离。


这个示意图跟当年爱因斯坦画的草图几乎完全一样

现在,爱因斯坦的理论被称为广义相对论(general relativity)。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率);而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程(一个二阶非线性偏微分方程组)。作为广义相对论的一个应用,它可以说明光线在引力场中的偏折会形成引力透镜(gravitational lens)现象,这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。这就是克罗姆林和爱丁敦报告的结果。


爱因斯坦十字

引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观测者与遥远的观测天体之间还存在有一个大质量天体,当观测天体的质量和相对距离合适时观测者会看到多个扭曲的天体成像,这种效应被称作引力透镜。受系统结构、尺寸和质量分布的影响,成像可以是多个,甚至可以形成被称作爱因斯坦环的圆环,或者圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发现的,至今已经发现了超过一百个引力透镜。其中比较有意思的一个就是1985年发现的“爱因斯坦十字(Einstein cross):同一个天体在引力透镜效应下的四个成像”。在爱因斯坦十字中,背景光源是距离地球80亿光年的一个类星体,而产生引力场的是其正前方距离地球约4亿光年的另一个星系。类星体的光线因引力透镜效应形成四重影像,对称分布于前景星系的核心四周,与其组成一个近似的十字形,故此得名。

还有一个叫做爱因斯坦环(Einstein ring)。这是指一种由于光源发出的光线受到引力透镜效应的影响,而使观测所得的光源形状改变的现象。第一个完整的爱因斯坦环是在1998年由曼彻斯特的天文学家利用美国航天局的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)观测到的。它的直径都可以用数学表达式写出来:

这里,G 是引力常数,M 是透镜的质量,c 是光速,dL 是到透镜的角直径距离,dS 是到光源的角直径距离,dLS 是从透镜到光源的角直径距离。不过,观测象爱因斯坦十字和爱因斯坦环这样的天象并不容易,尽管人们已经知道它们的位置。

本人认为,哈勃空间望远镜是美国航天局最意外成功的项目,也是全世界天文学家合作的典范。2009年5月,美国航天局派遣七位美国宇航员搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机对哈勃望远镜进行了维修和更新,经过几个月的调试,航天局在9月9日公布了哈勃望远镜反馈回来的一些新照片,以证明更新设施对它的功能卓有成效。其中一张照片显示有一组星云呈现龙体形状,整个星云为狭身形,并有尖细的尾巴。我在“宇宙中的两个龙状星云”一文里介绍过它。在浩浩太空中怎么会有这样的天象呢?


Abell 370星系团中的龙状星云

原来,这个龙状星云位于Abell 370星系团中,距离太阳系有50亿光年。龙状星云其实有一点欺骗人类的眼睛。Abell 370星系团(菊黄色椭圆的那些) 产生了引力透镜效应,由于恒星的巨大引力而使光线弯曲,于是放大了背景中的星系。龙头 (红色的,其中有蓝色的恒星) 就是其中的一个星系。在龙头的上面有三或四个星系,它们实际上是龙头星系的镜像。

90年前,科学家们还只能在地面上借助于日食观测引力场中光线的偏折效应,相信爱因斯坦的断言的人屈指可数。而今天全人类都已经接受了广义相对论;四百年前第一架望远镜出现,而今天人类已经能够在太空中建设巨大的望远镜,把视野扩大到了数十亿光年之外的星体。


类星体引力透镜
Source: http://www.astro.caltech.edu/~george/qsolens/

2010年7月,第一颗类星体 (Quasar) 引力透镜被发现。上面的照片显示,一个星系被挡在了一个类星体的后面。由于这个类星体的引力作用,两个镜像分别出现在类星体的左右两边。



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