重力透镜

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重力透镜,根据广义相对论,就是当背景光源发出的在引力场(比如星系星系团黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。
中文名
重力透镜
外文名
gravitational lensing
由    于
重力
人    物
爱因斯坦
对    象
任何庞大质量的天体

重力透镜简介

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重力透镜(gravitational lensing),根据广义相对论,就是当背景光源发出的在引力场(比如星系星系团黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲,可以帮助研究中间作为“透镜”的引力场的性质。根据尺度与效果的不同,引力透镜效应可以分为强引力透镜效应和弱引力透镜效应
一般从数学上来讲,面质量密度大于1的为强引力透镜区域,小于1的为弱引力透镜区域。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的,甚至圆弧(又称“爱因斯坦环”,Einstein Ring),而弱透镜区域则只产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析,可以估计测量透镜天体质量。弱透镜方法通过对大量背景源像的统计分析,可以估算大尺度范围天体质量分布,并被认为是现在宇宙学中最好的测量暗物质的方法。
1980年,天文学家观测到类星体Q0957+561发出的光在它前方的一个星系的引力作用下弯曲,形成了两个一模一样的类星体的像。这是人类第一次观察到引力透镜效应。

重力透镜原理

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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。

重力透镜发现实例

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重力透镜重力透镜星系

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。 [1] 

重力透镜重力透镜化

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。”

重力透镜遵循特殊的发现程序

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。

重力透镜科学家罗伯特的发现

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。
已知宇宙中最大的重力透镜直径达两百万光年 已知宇宙中最大的重力透镜直径达两百万光年
五颗星的重力透镜 五颗星的重力透镜
由重力透镜现象而发现的距离最远的星系 由重力透镜现象而发现的距离最远的星系

重力透镜参见

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参考资料
  • 1.    陈硕. “暗能量” 的证据越来越多[J]. 现代科技译丛 (哈尔滨), 2003 (3): 53-53.