第97章 引力透镜

 什么是引力透镜

我们知道，强大的引力场下空间会发生弯曲，于是光线的路径也就发生了弯曲。当我们观察一颗星A时，如果在我们和A之间有一个大质量物体(如黑洞)存在，空间光线就会发生弯曲、会聚。我们就会看到两个星星A的像：一个是“初像”，比较明亮；一个是“次像”暗淡一些。这是一种比较有效的，也几乎是惟一的能在我们的银河系中找到黑洞的方法。

但是，为了使得成像清晰，黑洞、星A和我们要严格地处于一条直线上。如果不是如此，“次像”就会变得模糊不清，以致过于暗淡而无法被观测到。事实也是如此，至今我们还没有在银河系中找到引力透镜。但无论如何，在离我们很远的空间中，我们发现了它的踪迹。被观测的星A是一种被称为“类星体”的家伙，它的发光强度极大，所以“次像”也能清晰地传到我们眼中。

1979年，三名天文学家发现两颗几乎是一模一样的距离很近的类星体，后来确认在这两个类星体像之间存在一个质量极大的星体(如图5-6中的G)，产生了引力透镜现象(b是初像，a是次像)。这大概是最早的记录引力透镜现象的观察之一了。到1999年，已经有6例被证实的引力透镜现象。1987年，两名斯坦福大学的科学家发现了一个遥远的长达388 000光年的亮弧拱。这个弧拱被他们认为是一个距地球约5兆光年的类星体经过一个引力透镜作用后形成的。而1988年，麻省理工学院的一名女科学家发现的爱因斯坦环更加美丽夺目。她观测到一个被称为MG1131+0456的无线电波源是一个环状的类星体的像。由于是爱因斯坦最先提出大质量物体，位于一个远光源和观察者之间会产生一圈环状像，所以这种像被称为“爱因斯坦环”。

引力透镜是由星体的引力引起的中只要宇宙存在星体，那么，经过星体附近的光线就必然偏折，那么我们可以反过来考虑这个问题，那就是如果宇宙中的光线在某处发生了偏折，那么，在此处必然有星体。这样，引力透镜现象可以用来探测星体的存在。那么，你能说出引力透镜的一种用途吗？想一下我们前面提到过的暗物质，对啦，我们可以用引力透镜来发现暗物质！且待下面详述。

 引力透镜的用途

黑洞显然是暗物质的候选者，但是，各种观测结论排除了大量巨型黑洞聚集的可能性。很可能所有星系的核心都有一个质量很大的黑洞，但要解释下落不明的质量，在星系核外还得有许多巨型黑洞。如果质量远大于100万太阳质量的黑洞存在于旋涡星系的晕里，即在聚集着绝大部分可见物质的星系核球和星系盘之外，黑洞的存在只能有两种表现方式：作为引力透镜而使遥远恒星的像多重化，使星系盘中恒星的速度增大而使盘变厚。然而这些现象都从未被观测到。

100万太阳质量的原初黑洞存在的可能性并未被排除。绝大多数星系都是在宇宙早期形成的，其核心的黑洞也可能是原初型的，甚至有可能黑洞正是星系得以形成的种子。

作了前面的分析，下一个要考虑的问题就是利用引力透镜寻找暗物质是否可行。贝尔实验室的科学家通过观察遥远星系的可见光像被放大扭曲的现象，发现了一个由15个星系组成的星系团。事实上，这个星系团非常暗淡，科学家在进行引力透镜分析时没有直接观察到它，而是在计算出它的方位后，利用大型望远镜在相关区域搜寻才确定了它的存在。这种结果表明，利用引力透镜发现未知天体是可行的，有可能通过这种方法寻找到完全由暗物质构成的天体。

爱因斯坦十字是引力效应造成的著名的天象。这是一个相距约5亿光年的星系，它发出的光线在到达地球的路上存在巨大的不可见物质，遂造成其多个幻影。

距离较远，被较近星系团的引力拉成了环状。通过测量Abell 2218的扭曲程度，可以得到它的质量。在这个星系团中除了可见的几个星系外，还有大约400万亿倍太阳质量(相当于几千个星系)的物质看不到。利用这种效应，还可以研究正在使宇宙加速膨胀的“暗能量”。

科学家希望利用引力透镜效应确定宇宙中的质量分布，绘制三维宇宙图。在探测宇宙物质分布的研究中，中国天文学家武向平取得了重要进展，主要表现在以下几个方面：

建立了星系团的引力透镜统计理论；

成功解释大麦哲伦星云微引力透镜事例的成因；

提出哈勃常数H-0长期不能测准的可能原因在于H-0的测量与局域物质分布有关的模型；

创立利用光学、X射线和引力透镜三种方法联合测定星系团质量的新体系；

组建了目前最大的星系群和星系团的样本，系统地研究了星系群和星系团的动力学特性。

星体的质量不够大时，聚拢的光线只能使星像增亮，不能使星像位置发生变化，这就是“微引力透镜”效应。质量不超过100倍太阳质量的暗天体能造成微引力透镜现象。由于望远镜分辨率的限制，不能拍摄到微引力透镜产生的虚像。当目标天体位于微引力透镜背后时，发出的光线被汇聚而使光度暂时增加，这是证实微引力透镜存在的间接证据。

1993年，科学家观测到大麦哲伦星云中的一颗恒星的光度增加，并认为这是微引力透镜效应引起的。2001年12月，一个国际天文合作组织发表在《自然》杂志上的报告，第一次确认银河系中的微引力透镜效应，这为寻找银河系中的暗物质提供了帮助。