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重力透镜,超级望远镜

2019-09-06 06:45

哈勃望远镜发现67个引力透镜星系

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天文望远镜可分为折射和反射望远镜,1609年,伽利略从荷兰听到望远镜的新技术,自行制造出折射望远镜。1668年,牛顿用凹面镜聚焦,设计出反射望远镜,解决透镜的色差问题。还有一种望远镜不用透镜和反射镜,也能搜寻宇宙天体,这个望远镜和爱因斯坦有关。

402com永利1站 2一颗恒星爆炸,却在哈勃望远镜里留下了4个超新星影像。这不是魔法,而是引力透镜创造的幻像。图片来源:NASA/ESA

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一个蓝色的星系发出的光在经过一个明亮红星系时,被后者的引力透镜效应扭曲成一个几乎完整的环——爱因斯坦环。这个星系于2007年被斯隆数字巡天望远镜发现,哈勃太空望远镜在后续的观测中发现了这个不完整的环。Hubble/NASA/ESA/STS

爱因斯坦没有发明或制造望远镜,但根据广义相对论,我们利用时空的扭曲,可以达到望远镜的功能,观测几十亿光年远的天体。说穿了,爱因斯坦的望远镜是利用万有引力,观察非常遥远的星体,甚至可以“看到”没有电磁波的暗物质,堪称为引力望远镜。

利用美国航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope),天文学家第一次拍到了一颗正在爆炸的遥远恒星的4个不同的影像。这4个影像排布成一个十字架的形状,这是因为爆炸恒星发出的光被前景星系团中一个星系的强大引力掰弯了。报道这一发现的论文发表在3月6日出版的《自然》杂志特刊上,以庆祝爱因斯坦的广义相对论提出整整100年。

哈勃望远镜发现的引力透镜星系

天文词典

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天文学家原本是在观测距离我们超过50亿光年的一个大质量椭圆星系,以及它所在的星系团MACS J1149 2223,结果他们却看到了这样一个奇特而又罕见的场景。这个星系以及星系团巨大的质量,将来自它们背后遥远得多的一颗超新星发出的光掰弯了,使这颗超新星产生了4个分离的影像。由于这种引力透镜效应,这些光被放大并被扭曲,结果便在这个椭圆星系周围产生了这样4个影像,构成了所谓的“爱因斯坦十字”(Einstein cross)。

北京时间2月22日消息,据国外媒体报道,欧洲的科学家日前称,他们最近利用哈勃太空望远镜在遥远的宇宙中发现了67个引力透镜星系。引力透镜最早是由著名科学家爱因斯坦发现的,它指的是在引力的作用下光线会发生扭曲,从而产生类似于透镜的效果。

402com永利1站,我们都知道,当一束光经过一块三棱镜或者透镜时,光的传播路线会发生改变,这就是折射。我们平时看到的透镜,主要有放大镜、老花镜中使用的凸透镜和近视眼镜中使用的凹透镜。其实,除了常见的玻璃之外,物体的引力也可以让光的路线发生变化。天体强大的引力还有可能形成引力透镜现象。近日,美国天文学家发表论文称,他们利用斯皮策空间望远镜和地面望远镜研究了一个不寻常的微引力透镜事件,发现了一对褐矮星双星。

引力望远镜之所以能“看到”暗物质,是因为所使用的原理不同。以折射望远镜为例,远方的星光从物镜进入望远镜镜筒,星光经过不同的介质(主要是空气和玻璃透镜)有光线偏折的现象,最后将星光聚焦成像。引力望远镜则是因为星体的质量改变周遭空间的曲率,使得星光因而偏折扭曲,甚至重影。

尽管天文学家已经发现了几十个星系和类星体的多重影像,但在此之前,他们还从未看到过一颗超新星的多重影像。

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个强大的引力透镜星系。这些引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”引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。

大质量天体使光线弯曲

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“当我看到这个星系周边的4个超新星影像时,我真的大吃了一惊——这完完全全是个意外惊喜。”这篇论文的领衔作者、美国加利福尼亚大学伯克利分校的帕特里克·凯利(Patrick Kelly)如是说道。他是“空间棱镜放大巡天”(GLASS)合作项目的成员,正是在检索GLASS团队数据时发现了这颗超新星。目前,研究团队正在合作分析这颗超新星的多重影像,那颗恒星爆炸发出的光花了90多亿年才传到了我们这里。

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,这种现象就叫引力透镜化。一般而言,我们无法观测早期宇宙,而这些引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个引力透镜星系中,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,引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。”

在爱因斯坦的理论中,产生引力的原因是物质的质量弯曲了周围的空间与时间,当光线经过被物体弯曲的空间时,就走了弯路,产生偏折。在这个理论的基础上,爱因斯坦还考虑过一个问题:当一个光源与观测者之间恰好有一个物体时,中间那个物体产生的引力会不会像凸透镜一样将光线会聚起来?如果会,这个天体就是一个“引力透镜”。虽然经典力学也可以得到这个结论,但只有爱因斯坦创立的相对论可以正确计算出光线在物体引力作用下偏转的角度。

质量改变空间曲率的理论来自广义相对论,但理论的建立并不那么顺利。爱因斯坦在1907年发表广义相对论的第一篇论文,最终版本是在1915年11月定稿。在这期间,爱因斯坦发表过一些相关论文,也不断在更新的版本中证明之前的错误。1914年8月,德国天文学家欧文·弗罗因德利克带队到俄国克里米亚半岛观测当地的日食,希望看到太阳周围的扭曲空间改变背景星光路径,借以证明广义相对论。1911年,爱因斯坦根据旧版本预测背景星光的偏移量。其实早在1801年,德国物理学家约翰·索德纳根据牛顿万有引力定律就算出相同的偏移量(0.84秒弧,1秒弧等于角度1°的1/3600),如果欧文的日食观测顺利,会发现与爱因斯坦的预测不符。既是幸运,也是不幸,当欧文进入俄国的时候,第一次世界大战爆发,他被俄国士兵抓了起来,失去了机会。爱因斯坦在1915年11月15日得出的广义相对论终极版,算出来的星光偏移量是原先的2倍。1919年,英国物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿率领观测团队到西非普林塞小岛,得到了他自称“我一生最快乐时刻”的结果:星光偏移量与终结版广义相对论的预测相符。

“这颗超新星看上去要比原本的亮度超出大约20倍。”论文合作者、丹麦暗宇宙学中心的延斯·约尔特(Jens Hjorth)解释说,“这是两个引力透镜重叠之后的综合效果。这个大型星系团将这颗超新星的光聚焦到至少3条不同的路径上,然后这些光路中的一条又恰好与星系团中的一个椭圆星系精确对齐,产生了第二重引力透镜效应。”与这个椭圆星系相随的暗物质弯曲了光线,并将它重新聚焦成另外4条光路,这才形成了研究团队观测到的罕见的爱因斯坦十字。

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,确定任何可能是引力透镜的星系。最后,进行检查,看看前景星系与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引力系统样品,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。

爱因斯坦也是第一个对引力透镜效应进行定量计算的人。他以太阳为例子计算出如果一束光要被太阳会聚到一个点,这个点与太阳的距离是地球与太阳距离的542倍。因此他认为,恒星级天体的引力对光的折射效应太弱了,产生的引力透镜效应不可能被观测到。

只要有质量或能量就可以当成引力望远镜的透镜,当星光经过透镜四周凹陷的空间时就会偏折,离凹陷中心越近,偏折角度越大,偏折角度和透镜质量成正比。因此,我们看到的光源在天空中的位置会产生偏移或扭曲。

402com永利1站 6恒星爆炸发出的光在途中被星系团的引力扭曲聚焦成3条光路,其中一条又恰好从一个椭圆星系中穿过,才形成了哈勃望远镜观测到的爱因斯坦十字。点击查看动图。图片来源:ESA

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。”黑暗时期是指从脱耦时期到第一颗恒星发光(即开始有气体凝聚到一定程度从而点火发生聚变反应)这段历史。

但宇宙中的天体系统并不都是单个的恒星。如果上千亿颗恒星聚集而成的星系作为一个引力透镜,产生的折射效应就会很明显。更进一步,多个星系组成的星系团会产生更强烈的引力透镜现象。充当引力透镜的星系与星系团分别被称为透镜星系与透镜星系团。

在众多扭曲的星光中,最令人震撼的是爱因斯坦环,当光源、透镜和我们正好在同一直线时,位于中间的透镜将单一光源变成一圈光环,这是非常罕见的现象。1987年,贾克琳·休伊特的团队利用特大天线阵观测类星体,发现了第一个爱因斯坦环

这项独一无二的观测,将帮助天文学家进一步修正他们对于透镜星系及星系团中暗物质总量和分布的估计。宇宙中的暗物质要比可见物质更多,但暗物质极其难以捉摸,只有它们施加于可见宇宙的引力效应透露出了它们的踪迹,因此星系或者星系团的引力透镜效应为其中包含多少暗物质提供了重大线索。

早在1915年,爱因斯坦就曾公开预言,光线经过强引力场时会发生偏移。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引力透镜。

在透镜星系或透镜星系团的作用下,远处星系或者类星体会产生2个、4个甚至多个像。如果光源、透镜星系或星系团、观测者三者几乎连成一条直线,透镜星系或星系团周围就会形成对称分布的4重像甚至圆环,它们被分别称为“爱因斯坦十字架”和“爱因斯坦环”。有时,透镜星系周围只形成缺了一段短弧的马蹄形结构,或者形成一条条短弧。

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随着爆炸渐渐平息,这4个超新星影像也会逐渐暗淡直到消失不见。在此之后,天文学家将拥有千载难逢的良机,等着看这场爆炸再重放一遍。这颗超新星的多个影像并不是同时抵达地球的,对于每个影像来说,光所经历的路径都是不同的。每条路径又会沿途经过不同的物质,既有暗物质,也有可见物质。这些都会导致光路弯曲,因此每条路径光线抵达我们的时间都会有所不同。利用这个星系团中暗物质总量及其分布的模型,天文学家能够预言下一个影像会在什么时候出现,再利用他们观测到的时间延迟来更准确地修正物质模型。

1979年,天文学家用美国基特峰天文台2.1米望远镜首次观测到一个类星体因引力透镜效应而形成的双重像,这是第一个被发现的引力透镜现象。第一个完整的爱因斯坦环于1998年被哈勃太空望远镜观测到,它被命名为B1938 666。在一些引力透镜的观测图像中,不完整的弧形和多重像散布在透镜星系或星系团周围,蔚为壮观。

(MG1131 0456)。早在1924年,俄国物理学家奇沃尔松便曾预测大型恒星形成的引力透镜可能造成爱因斯坦环,但爱因斯坦在1936年的评论中表示,理论可行但不容易观测,因为排成一直线的机会太小,并且恒星等级的引力透镜所造成的爱因斯坦环半径太小,远超过观测能力。但透镜若是一个星系,所造成的爱因斯坦环便足以观测到,MG1131 0456就是一例:它的透镜是一个星系,爱因斯坦半径约0.87秒弧。

“哈勃望远镜拍摄到的4个超新星影像是在几天或者几周的时间内陆续出现的,我们在它们出现之后才发现了它们。”美国约翰斯·霍普金斯大学的史蒂夫·罗德尼(Steve Rodney)解释说,“不过,我们认为,这颗超新星的一个影像或许早在大约20年前,就曾在这个星系团的某个位置出现过,并且更让我们兴奋的是,未来1-5年之内预计还会有一个影像再次出现——我们希望到时候能够当场抓住它。”

星系或者星系团作为引力透镜,还会对超新星甚至单个恒星产生引力透镜效应,让观测者看到超新星或者恒星的多重像。2014年,一个国际小组利用哈勃太空望远镜首次观测到透镜星系让一颗超新星产生4个像,恰好形成了“爱因斯坦十字架”,分布在透镜星系的四周。这个透镜星系位于一个巨大的星系团之中,而这个星系团自身也成为一个引力透镜。理论计算表明,透镜星系团让这个超新星形成3个像,而其中的一个透镜星系又让这3个像中的1个变为4个像,因此这个超新星共产生了6个像。此后,同一个小组在检查引力透镜超新星的图像时,发现一个亮度被引力透镜显著放大的恒星,后者也因此成为人们观测到的最远的单个恒星。

除了完整的爱因斯坦环,天文学家在1979年首次观测到类星体Q0957 561的双重电波影像。由于这两个电波影像有近乎一样的光谱,可以断言来自同一个电波源,受到一个星系透镜的作用而形成两个影像。这也是人们首次观察到的引力透镜效应。另一个引人注目的事件是1990年发现的爱因斯坦十字

这颗超新星现在被昵称为雷夫斯达尔(Refsdal),以纪念已故的挪威天文学家舒尔·雷夫斯达尔(Sjur Refsdal)。他在1946年最早提出,利用超新星被引力透镜放大的时间延迟影像来研究宇宙的膨胀。“从那时起,天文学家就一直在寻找这样一颗超新星,”GLASS项目首席科学家、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的托马索·特雷乌(Tommaso Treu)说,“现在,漫长的等待终于结束了!”(编辑:Steed)

透镜效应助力宇宙学研究

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随着观测技术的发展,天文学家不仅可以观测到被当年爱因斯坦认定为不可能被观测到的恒星级引力透镜产生的效应,还可以观测围绕恒星的行星产生的更微弱的引力透镜效应,它们被统称为“微引力透镜”。

(Q2237 030),当中的星系透镜离我们约4亿光年,远方的类星体离我们约80亿光年,类星体的影像在星系透镜的影像四周,以十字排列的方式形成四个魅影。星系团也有足够的质量担任透镜的角色,1986年美国天文学家林德斯和佩托西奥首次发现一个1014太阳质量的星系团造成的局部爱因斯坦环。他们只看到一段弧状的影像,但比之前的明显许多。

引力透镜在天文研究中有非常重要的作用。除了可以看到星系、类星体、超新星的多重像、爱因斯坦十字、爱因斯坦环之外,天文学家用透镜星系团与透镜星系研究极早期宇宙,将一些原本暗弱到无法被观测到的极早期星系的光放大10倍以上,从而观测到它们。因此哈勃太空望远镜执行的任务之一就是利用引力透镜观测极早期宇宙中的黯淡星系。

引力透镜造成遥远星光的扭曲,也会有聚光的功能,让某些星光突然增亮,这种增亮现象可以用来寻找黑洞和系外行星。在这个搜寻过程中,黑洞和系外行星的角色是引力透镜。

引力透镜效应在宇宙学的研究中也有重要作用。过去的观测与理论研究都表明,宇宙中有大量无法用任何望远镜看到的物质,它们被称为暗物质。暗物质的总量大约是普通物质总量的5倍。而利用引力透镜效应,天文学家和宇宙学家可以更精确地确定出星系团与星系内的普通物质与暗物质的分布情况,进而确定宇宙学的一些重要参数。

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恒星甚至围绕恒星运转的行星所形成的微引力透镜效应也有重要应用。天文学家用它们寻找一些太阳系外的行星、黑洞、褐矮星,还用它们研究暗物质、银河系的盘结构、星系内形成恒星的快慢程度等等。

三个独立的观测团队开始了长期观测,希望能找到银河盘面和核球内的微透镜事件,进而找到黑洞和系外行星。1999年,其中两个团队观测到一个微透镜事件,聚光造成的亮度变化最强可达原先的32倍。整个事件延续了3年,初步估算可能是一个4倍~100倍太阳质量的黑洞。如果引力透镜是系外行星,微透镜事件只有几小时或几天。

(作者单位:广西大学物理科学与工程技术学院)

引力望远镜主要不是用来观测扭曲的星光,而是测量透镜的质量。由于扭曲星光的程度主要是和透镜质量有关,因此除了星系、星系团、黑洞和行星外,还可以通过寻找暗物质,进而推算暗物质的质量多寡以及分布状况,甚至为我们的宇宙称重。宇宙的组成只有约4%是一般的原子,还有23%的暗物质和73%的暗能量。暗能量虽然不能用引力望远镜直接测量,但其会在宇宙大尺度结构留下印记,天文学家可以通过引力望远镜研究大尺度结构和时空的演化,探究宇宙的起源以及来龙去脉。

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