引力透镜效应——带来宇宙中最美的幻象

来源:金羊网 作者:钟郅皓 发表时间:2018-03-26 10:30

□钟郅皓

宇宙具有最抽象的表现力,常常让我们无法窥测到它的真实面貌。从眼前的大海,到头顶的星空,它们本来的样貌在传达到我们的眼睛时,已经经历了或多或少的变化。我们现在所了解到的宇宙是否就是它的本来面貌呢?还是说它展示给我们的只是一种幻象?

早前,在上海科技馆的一场《天文·云》大会上,来自清华大学的毛淑德教授作了关于引力透镜的科普报告,带大家一起试图去揭开“宇宙的幻觉”。

“引力透镜”——上帝的放大镜

用双眼直接观察是人类认识这个世界最基本的方法。物体发出或反射的光投影在人们的视网膜上,视网膜的细胞又将信息传递给大脑,这样我们就看到了物体的模样。墨子在2500年前就证实了“光沿直线传播”,人类在千百年来时时刻刻体验着这一点。日常生活中,当人看到一个物体时,大脑会自动确定物体位置,观即可取。但正因如此,人们有时候会被自己的眼睛欺骗。

最简单的例子莫过于铅笔放在水中时,由于光线在空气和水的分界面发生折射,铅笔看起来好像是“断了”。海市蜃楼的原理和此类似,都是光在穿过不同介质时发生折射产生的现象,不过光线不再是简单地通过两层介质,而是密度不同的多层空气。

离开地球,在遥远的宇宙中是否也有如此神奇的现象呢?答案是肯定的。

1979年,英国天文学家在观测类星体(顾名思义,就是看起来像恒星一样的天体)时,发现两个相距很近且特性几乎相同的亮点,于是他们猜测,这两个亮点可能是同一个类星体产生的两个像。光线在宇宙中到底出了什么“事故”?竟然发生了弯曲吗?人们想到了爱因斯坦广义相对论中的一个重要预言——光线偏折,以及爱因斯坦后来发表的对“引力透镜效应”的预测。这次观测就是人类发现的第一个“引力透镜”现象。

什么是引力透镜?我们要回到100年前,看一下爱因斯坦在广义相对论中关于引力的解释。换言之,在广义相对论中,引力仅仅是一种表象。任何有质量的物体都会使周围的时空(在相对论中,时间和空间不再相互独立,它们统称为时空)发生弯曲,其附近的物质受到弯曲时空的影响而向它靠近,这就是引力的本质。

比如,原本平直的时空,如果我们放一个恒星上去,它就会发生弯曲,就像在一张拉直的布上放了一个重物而发生了塌陷。这时如果另外一个质量比较小的天体经过附近,就会由于这张布的塌陷而绕着它转。如果把这幅图中的小质量天体换成光线,我们就不难理解“光线偏折”这种现象了。

光线偏折作为广义相对论的一个重要预言,在1919年的日食观测中得到了验证。

既然光线在宇宙中可以偏折,那么当一个发光的天体处在另一个天体身后时,我们有机会看到它。只不过我们看到的并不是它本来的位置,而是我们以为光线沿直线传播的位置。这就是“引力透镜”现象。暗物质也可以引起“引力透镜”现象,因此还可以利用其来测量暗物质的质量,由此来构建暗物质在小尺度上的结构。

另外,由于引力透镜对光线有汇聚的作用,一些原本不该到达观测者的光线被偏折到了观测者的位置,所以通过引力透镜看到的天体的像,会比它本身更亮。这也是为什么引力透镜会如此重要的原因之一,人类可以通过它看到很远很远的暗的天体,就像是拿着放大镜在宇宙这个巨大的画布上寻找我们想要的东西。

  有质量的物体使周围的时空弯曲(模拟图)

小插曲:曼德尔的故事

说到引力透镜,还得提到一个人,那就是鲁迪·维尔特·曼德尔,一个在餐馆洗碗打工的捷克工程师,是他的坚持迫使爱因斯坦发表了引力透镜效应的工作。1936年的一天,他跑到普林斯顿找爱因斯坦,提出自己关于空间透镜概念的想法,声称可以用来检验广义相对论。爱因斯坦客气地接见了他,并讨论了这种空间透镜的数学形式。曼德尔的想法很丰富,还涉及光学、天体物理甚至恐龙灭绝。他认为恐龙灭绝这件事,引力透镜要“背锅”。

爱因斯坦也挺感兴趣,然而他表示:年轻人啊,想法不错,但我们是观测不到这种现象的。一是因为透镜现象发生需要透镜和源在同一视线方向,发生这种现象的概率很低;二是因为望远镜分辨率不够,即便发生了这种现象可能也分辨不出来。还有啊,恐龙灭绝这件事就不要再提了,这种不靠谱的推测,以后会被学术界笑话的。之后,爱因斯坦好像就把这件事给忘了,几个月没有给曼德尔回信。不过,曼德尔没有放弃,他又通过科学服务部门继续询问爱因斯坦。这样,爱因斯坦终于发表了空间透镜的研究文章。但他致信科学杂志的编辑:“谢谢您帮忙发表这篇小文章,这篇文章是曼德尔先生从我这里‘榨取’出来的。它几乎没有什么价值,但它会让这个可怜的家伙感到高兴。”

事实上,根据爱因斯坦的手稿,他在1912年就已经推导出了引力透镜现象的数学形式,但他忘了。是曼德尔的想法以及他对发表此种想法的迫切渴望,使引力透镜的理论更早地展示在公众面前。

后来我们知道,爱因斯坦的结论是对的。单独恒星产生的引力透镜效应或许太弱而观测不到,但他忽略了恒星不是唯一能导致光线弯曲的天体,包含千亿颗恒星的大质量星系造成的引力透镜是有可能观测到的。

寻找宇宙的幻象——用望远镜检测恒星

现在我们知道,引力透镜最明显的表现就是同一个天体成了多个像,同时它们会围着一个大质量天体(通常是星系)分布,而且这种现象对我们的观测非常有用。那么我们该如何去找到更多的引力透镜现象呢?毕竟当我们用大口径的望远镜向宇宙深处看去时,密密麻麻的亮点遍布了整个视野,该如何分辨哪些亮点是引力透镜现象?或者说,怎么确认哪几个亮点是来自于同一个天体呢?

科学家们从身边获得了灵感,那就是彩虹。

我们知道,单色的太阳光里包含了各种波长的光线,被空中的小水滴折/反射之后,发生了色散,不同波长的光就被分解出来了,它可以反映太阳光的特性。我们把这种光经过色散后呈现出的流量和波长的联系称为光谱,它也是目前为止天文学家们研究宇宙的最重要的途径。光谱就像光的指纹,独一无二。

同理,发光天体应该拥有它自己的指纹,也就是拥有特定的光谱,如果围绕着一个中心天体分布的几个亮点具有相同的光谱,则有可能是同一个天体的呈像。也就是说,很可能是一个引力透镜现象。当然,透镜天体需要处于观测者和源天体中间,并且要在同一条直线上。

这是由4架太空望远镜合成的多波段视角的最古老超新星RCW86的残骸照片。这颗新星连续数月可见,一般公认可能是最早的超新星记录图/视觉中国

而爱因斯坦之所以认为引力透镜场效应观测不到,是因为他只考虑了恒星范围,忽略了另一个现象,就是天体总在运动。

我们已经知道,引力透镜会使源天体看起来更亮。所以当一颗行星经过我们和恒星之间时,如果发生引力透镜现象,这颗恒星的亮度可能会比平时看上去更亮,但当此行星远离我们和恒星的连接方向,就会开始变暗。利用这种亮度变化在恒星范围内发现引力透镜,是一个非常好的方法。

1993年,科学家观测到在大麦哲伦星系中的一颗恒星光度增加,并认为是一个引力透镜现象,称之为“微引力透镜”,这也是人类观测到的第一个“微引力透镜”现象。

现在,全世界的望远镜一共检测了两亿颗恒星,得益于快速计算机和自动搜索软件的发展,25年来人类共发现约25000个微引力透镜事件,而且绝大多数是实时发现的。

宇宙中最美的幻象

引力透镜现象也为观测天体活动和演变提供了可能。引力透镜现象中的不同像存在光变时间延迟,天体活动在光程最近的像中先体现出来,人类在得到信号后,可以在光程较远的像中观察整个活动过程。

同样可以作为探路者的,还有引力波信号,引力波可以以光速穿透一切物质,所以在天体活动发生时,人类会首先探测到引力波信号,而引力透镜中的电磁波由于会发生偏折,信号则可以较晚但被完整地观测到。

自人类诞生,人类便仰望星空,渴望了解宇宙的真谛,直到望远镜的出现,才让科学家们得以逐渐窥探宇宙的奥秘。但是宇宙中仍有许多领域我们未曾探索,有太多现象等着我们去发现、解析。引力透镜是宇宙中一个美丽的幻相,它曾让人类迷惑,但了解其原理后,人类反过来利用它,更深入地了解了我们身处的宇宙。对宇宙的了解越多,我们越会感觉到人类个体的渺小、生命的短暂,但这不能阻止我们对宇宙前仆后继的探索,因为它们就在那里,运行、爆炸、毁灭、诞生,在等待着我们解开更多的谜题。

(来源:中国科技大上海研究院墨子沙龙)

编辑:邱邱
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引力透镜效应——带来宇宙中最美的幻象

金羊网2018-03-26 10:30:43

□钟郅皓

宇宙具有最抽象的表现力,常常让我们无法窥测到它的真实面貌。从眼前的大海,到头顶的星空,它们本来的样貌在传达到我们的眼睛时,已经经历了或多或少的变化。我们现在所了解到的宇宙是否就是它的本来面貌呢?还是说它展示给我们的只是一种幻象?

早前,在上海科技馆的一场《天文·云》大会上,来自清华大学的毛淑德教授作了关于引力透镜的科普报告,带大家一起试图去揭开“宇宙的幻觉”。

“引力透镜”——上帝的放大镜

用双眼直接观察是人类认识这个世界最基本的方法。物体发出或反射的光投影在人们的视网膜上,视网膜的细胞又将信息传递给大脑,这样我们就看到了物体的模样。墨子在2500年前就证实了“光沿直线传播”,人类在千百年来时时刻刻体验着这一点。日常生活中,当人看到一个物体时,大脑会自动确定物体位置,观即可取。但正因如此,人们有时候会被自己的眼睛欺骗。

最简单的例子莫过于铅笔放在水中时,由于光线在空气和水的分界面发生折射,铅笔看起来好像是“断了”。海市蜃楼的原理和此类似,都是光在穿过不同介质时发生折射产生的现象,不过光线不再是简单地通过两层介质,而是密度不同的多层空气。

离开地球,在遥远的宇宙中是否也有如此神奇的现象呢?答案是肯定的。

1979年,英国天文学家在观测类星体(顾名思义,就是看起来像恒星一样的天体)时,发现两个相距很近且特性几乎相同的亮点,于是他们猜测,这两个亮点可能是同一个类星体产生的两个像。光线在宇宙中到底出了什么“事故”?竟然发生了弯曲吗?人们想到了爱因斯坦广义相对论中的一个重要预言——光线偏折,以及爱因斯坦后来发表的对“引力透镜效应”的预测。这次观测就是人类发现的第一个“引力透镜”现象。

什么是引力透镜?我们要回到100年前,看一下爱因斯坦在广义相对论中关于引力的解释。换言之,在广义相对论中,引力仅仅是一种表象。任何有质量的物体都会使周围的时空(在相对论中,时间和空间不再相互独立,它们统称为时空)发生弯曲,其附近的物质受到弯曲时空的影响而向它靠近,这就是引力的本质。

比如,原本平直的时空,如果我们放一个恒星上去,它就会发生弯曲,就像在一张拉直的布上放了一个重物而发生了塌陷。这时如果另外一个质量比较小的天体经过附近,就会由于这张布的塌陷而绕着它转。如果把这幅图中的小质量天体换成光线,我们就不难理解“光线偏折”这种现象了。

光线偏折作为广义相对论的一个重要预言,在1919年的日食观测中得到了验证。

既然光线在宇宙中可以偏折,那么当一个发光的天体处在另一个天体身后时,我们有机会看到它。只不过我们看到的并不是它本来的位置,而是我们以为光线沿直线传播的位置。这就是“引力透镜”现象。暗物质也可以引起“引力透镜”现象,因此还可以利用其来测量暗物质的质量,由此来构建暗物质在小尺度上的结构。

另外,由于引力透镜对光线有汇聚的作用,一些原本不该到达观测者的光线被偏折到了观测者的位置,所以通过引力透镜看到的天体的像,会比它本身更亮。这也是为什么引力透镜会如此重要的原因之一,人类可以通过它看到很远很远的暗的天体,就像是拿着放大镜在宇宙这个巨大的画布上寻找我们想要的东西。

  有质量的物体使周围的时空弯曲(模拟图)

小插曲:曼德尔的故事

说到引力透镜,还得提到一个人,那就是鲁迪·维尔特·曼德尔,一个在餐馆洗碗打工的捷克工程师,是他的坚持迫使爱因斯坦发表了引力透镜效应的工作。1936年的一天,他跑到普林斯顿找爱因斯坦,提出自己关于空间透镜概念的想法,声称可以用来检验广义相对论。爱因斯坦客气地接见了他,并讨论了这种空间透镜的数学形式。曼德尔的想法很丰富,还涉及光学、天体物理甚至恐龙灭绝。他认为恐龙灭绝这件事,引力透镜要“背锅”。

爱因斯坦也挺感兴趣,然而他表示:年轻人啊,想法不错,但我们是观测不到这种现象的。一是因为透镜现象发生需要透镜和源在同一视线方向,发生这种现象的概率很低;二是因为望远镜分辨率不够,即便发生了这种现象可能也分辨不出来。还有啊,恐龙灭绝这件事就不要再提了,这种不靠谱的推测,以后会被学术界笑话的。之后,爱因斯坦好像就把这件事给忘了,几个月没有给曼德尔回信。不过,曼德尔没有放弃,他又通过科学服务部门继续询问爱因斯坦。这样,爱因斯坦终于发表了空间透镜的研究文章。但他致信科学杂志的编辑:“谢谢您帮忙发表这篇小文章,这篇文章是曼德尔先生从我这里‘榨取’出来的。它几乎没有什么价值,但它会让这个可怜的家伙感到高兴。”

事实上,根据爱因斯坦的手稿,他在1912年就已经推导出了引力透镜现象的数学形式,但他忘了。是曼德尔的想法以及他对发表此种想法的迫切渴望,使引力透镜的理论更早地展示在公众面前。

后来我们知道,爱因斯坦的结论是对的。单独恒星产生的引力透镜效应或许太弱而观测不到,但他忽略了恒星不是唯一能导致光线弯曲的天体,包含千亿颗恒星的大质量星系造成的引力透镜是有可能观测到的。

寻找宇宙的幻象——用望远镜检测恒星

现在我们知道,引力透镜最明显的表现就是同一个天体成了多个像,同时它们会围着一个大质量天体(通常是星系)分布,而且这种现象对我们的观测非常有用。那么我们该如何去找到更多的引力透镜现象呢?毕竟当我们用大口径的望远镜向宇宙深处看去时,密密麻麻的亮点遍布了整个视野,该如何分辨哪些亮点是引力透镜现象?或者说,怎么确认哪几个亮点是来自于同一个天体呢?

科学家们从身边获得了灵感,那就是彩虹。

我们知道,单色的太阳光里包含了各种波长的光线,被空中的小水滴折/反射之后,发生了色散,不同波长的光就被分解出来了,它可以反映太阳光的特性。我们把这种光经过色散后呈现出的流量和波长的联系称为光谱,它也是目前为止天文学家们研究宇宙的最重要的途径。光谱就像光的指纹,独一无二。

同理,发光天体应该拥有它自己的指纹,也就是拥有特定的光谱,如果围绕着一个中心天体分布的几个亮点具有相同的光谱,则有可能是同一个天体的呈像。也就是说,很可能是一个引力透镜现象。当然,透镜天体需要处于观测者和源天体中间,并且要在同一条直线上。

这是由4架太空望远镜合成的多波段视角的最古老超新星RCW86的残骸照片。这颗新星连续数月可见,一般公认可能是最早的超新星记录图/视觉中国

而爱因斯坦之所以认为引力透镜场效应观测不到,是因为他只考虑了恒星范围,忽略了另一个现象,就是天体总在运动。

我们已经知道,引力透镜会使源天体看起来更亮。所以当一颗行星经过我们和恒星之间时,如果发生引力透镜现象,这颗恒星的亮度可能会比平时看上去更亮,但当此行星远离我们和恒星的连接方向,就会开始变暗。利用这种亮度变化在恒星范围内发现引力透镜,是一个非常好的方法。

1993年,科学家观测到在大麦哲伦星系中的一颗恒星光度增加,并认为是一个引力透镜现象,称之为“微引力透镜”,这也是人类观测到的第一个“微引力透镜”现象。

现在,全世界的望远镜一共检测了两亿颗恒星,得益于快速计算机和自动搜索软件的发展,25年来人类共发现约25000个微引力透镜事件,而且绝大多数是实时发现的。

宇宙中最美的幻象

引力透镜现象也为观测天体活动和演变提供了可能。引力透镜现象中的不同像存在光变时间延迟,天体活动在光程最近的像中先体现出来,人类在得到信号后,可以在光程较远的像中观察整个活动过程。

同样可以作为探路者的,还有引力波信号,引力波可以以光速穿透一切物质,所以在天体活动发生时,人类会首先探测到引力波信号,而引力透镜中的电磁波由于会发生偏折,信号则可以较晚但被完整地观测到。

自人类诞生,人类便仰望星空,渴望了解宇宙的真谛,直到望远镜的出现,才让科学家们得以逐渐窥探宇宙的奥秘。但是宇宙中仍有许多领域我们未曾探索,有太多现象等着我们去发现、解析。引力透镜是宇宙中一个美丽的幻相,它曾让人类迷惑,但了解其原理后,人类反过来利用它,更深入地了解了我们身处的宇宙。对宇宙的了解越多,我们越会感觉到人类个体的渺小、生命的短暂,但这不能阻止我们对宇宙前仆后继的探索,因为它们就在那里,运行、爆炸、毁灭、诞生,在等待着我们解开更多的谜题。

(来源:中国科技大上海研究院墨子沙龙)

编辑:邱邱
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