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重力透镜

重力透镜,是任何庞大质量的天体,都会产生的由于重力导致电磁波偏折的现象。爱因斯坦在1936年的《科学》杂志上首次分析了星球(例如太阳)的重力透镜作用。实际上任何庞大的质量,如太阳、木星、地球、中子星或黑洞,都会如此。入射电磁波经过星球附近会发生偏折,其偏角正比于该星球的质量,且汇聚在远侧的焦点处。在太阳透镜的情况下,最小焦距约为至冥王星距离的24倍。人们在能利用太阳作为重力透镜之前还必须等待,直到有可能发送一架特别装备的航天飞机送达如此远的距离。

入射电磁波经过星球附近会发生偏折,其偏角正比于该星球的质量,且汇聚在远侧的焦点处。它并没有单一的焦点,而是一根从最小焦距延伸到无穷远的焦线。这种透镜的增益正比于星球的质量,反比于波长。当λ=1mm时,太阳透镜从原理上能给出多于80dB的增益。若有位于焦线上的航天飞机载有80dB增益的天线,则总的增益为160dB,等效为1亿个80dB增益的天线单元所组成的阵列。

马赛天体物理实验室天文学家吉恩-保罗-内布和海德尔堡大学天文学家希斯利-法勒带领欧洲的一组天文学家,对哈勃望远镜的高级巡天照相仪发回的数据进行了分析。根据高级巡天照相仪的高清晰图像,并辅以广泛的地面跟踪观测,天文学家们鉴定出了67个强大的重力透镜星系。这些重力透镜星系是在椭圆或透镜形的超大质量星系周围发现的,并表现出了极少量没有旋臂或螺旋盘的气体和尘埃。大质量星系能产生强大的透镜作用,尽管这比以前哈勃望远镜观测到的普通巨型“弧形”重力透镜星系要普遍得多,但是它们很难被发现,因为它们遍布的区域小且形状多种多样。

从遥远星系射向我们的光在遇到届于星系与我们之间的大质量物体后,会被放大和扭曲,这种现象就叫重力透镜化。一般而言,我们无法观测早期宇宙,而这些重力透镜就常常使得天文学家们得以对早期宇宙进行探测和研究,并有机会探测星系透镜周围的暗物质分布。透镜化的大质量物体通常是庞大的大质量星系团。在这67个重力透镜星系中,令人印象最深刻的透镜表现出了一或两个背景星系扭曲和变形的光。其中至少4个透镜产生了爱因斯坦环,这种背景星系的完整圆形图像的形成非常难得,它是当背景星系、大质量前景星系和哈勃太空望远镜完美排成一行时形成的。吉恩-保罗-内布说:“典型的例子是,我们可以看到,重力透镜能在星系团周围产生一系列明亮的弧或点。如今,我们在地球上观测到的是单个超大质量星系周围发生的一切。”

为了发现这些不可思议的天然透镜,天文学家们遵循了一个特殊的程序。首先,从包括200万个或以上星系的星系目录中鉴定出可能的星系。然后,用肉眼仔细观察每个底片自动测量仪图像,确定任何可能是重力透镜的星系。最后,进行检查,看看前景星系透镜星系到底是真的不同的两个星系,还是仅仅是一个星系的两种不同形状。吉恩-保罗-内布说:“根据人类肉眼鉴定的重力系统样品,我们目前计划使用这些透镜样品来训练机器人软件,以在整个哈勃图像档案库中找出更多的透镜星系,并在底片自动测量仪领域中发现更多强大的透镜化系统。”一旦天文学家们发现了更多数量的强大透镜星系,他们就可以进行宇宙间的星系质量大普查,并以此检验宇宙论模型的预测。

德国天文物理学科学家罗伯特-科什纳表示这一发现对于天文学研究来说意义重大,他说:“这一发现证实了科学家们此前很多的猜测,让人们了解到宇宙中第一颗行星是什么时候才开始发光的。”科学家们发现这一新发现的星系的跨度只有2000光年,比我们的银河系要小的多,银河系的直径达到了10万光年。罗伯特-科什纳指出:“宇宙学家们认为早期星系所包含的恒星同构成现在星系的恒星是有很大区别的,而天体物理学家们则认为黑暗时期以后构成星系的恒星大体相同。”黑暗时期指的是137亿年前宇宙大爆炸开始到第一颗行星开始发光的这段时间,如今还没有人知道黑暗时期到底持续了多长时间。

早在1915年,爱因斯坦就曾公开预言,光线经过重大的力场时会发了偏移。在地球和类星体之间一定存在着一个我们看不到的,且有着巨大质量的天体,当类星体发出的光经过这个天体时, 由于天体的引力,使得光线偏转, 从而使得地球上的人们看到同一类星体的两个像。人们称这样的天体为重力透镜。

这张美丽的双鱼座星野影像,是名为高效能相机的高速、灵敏数位侦测器所拍摄的,这部望远镜位在智利、赛罗、托洛罗 (Cerro Tololo)的美洲天文台。 在原始的影像中,天文学家并没有注意到右下角白圈内这群星系,直到分析这群星系所造成的微细重力效应後,才发现了这15个距离我们30亿光年的星系之踪迹。 根据爱因斯坦广义相对论的预测,这个星团的巨大质量会产生很像透镜的效应,把它们後方背景星系所发出的光会聚起来,并产生许多形状非常奇特的幻影。 用电脑去分析高效能相机所看到背景星系变形的程度,天文学家发现这部份星空大尺度的质量分布非常不均匀,大部份集中在很小的区域内,而这个区域也正好是星团的所在。这也是天文学家首次靠天体的质量,而非它们所发出的光,证实了天体的存在。

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