宇宙中最美的幻象：引力透镜效应
·引言·
当人们在海滩漫步时，或许能有幸目睹这样的奇观：海面上的云层在阳光下消退，上空突然出现了一座美丽又繁华的都市，都市林立的高楼大厦、宽广的街道和川流不息的车辆，都呈现在眼前。当人们惊叹于这幅美景时，它却又随着海风慢慢消失了。
宇宙总是具有最抽象的表现力，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。我们能否看到宇宙的本来面貌呢？还是说我们注定只能学会去欣赏它刻意留给我们的幻象？
1月20日，作者和五百多名观众一起在上海科技馆参加了墨子沙龙主办的《天文·云》大会，听取了来自清华大学的毛淑德教授关于引力透镜的科普报告，颇有感悟。今天，作者就带大家一起，试图去揭开宇宙的幻觉。
作者 | 钟郅皓
扭曲的图像
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年前证实了“光沿直线传播”，但人类在千百年来时时刻刻体验着这一点。在日常生活中，当人看到一个物体时，人的大脑会自动确定物体位置，观即可取。但也正因如此，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，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。
图1、铅笔在水中“断了”（图片来源：网络）
弯曲的时空
现在离开地球，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？可是广袤的宇宙中并没有什么介质，可以让光线偏折吧？这时，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”（gravitational lensing）现象。什么是引力透镜？首先我们要回到100年前，看一下爱因斯坦在广义相对论中关于引力的解释。
图2、人类观测到的第一个引力透镜，A和B是呈的两个像（图片来源：wikipedia）
Gravity is geometry
（引力是一种几何现象）
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。如果要用一句话来概括这个理论，那就是：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。
用下面的一幅图来理解就更形象了：
图3、有质量的物体使周围的时空弯曲（图片来源：网络）
如上图，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年的日食观测得到了验证。
图4、光线在引力场的作用下发生偏折（图片来源：网络）
上帝的放大镜
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，我们也有机会看到它。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。如下图中，常常呈现出一个前景的星系周围有几个亮点，有时也能观测到这些亮点连成一个美丽的圆环，人们称之为“爱因斯坦环”。中心的星系称为“透镜天体”（lens），在它背后发出光线并呈多个像的天体则称为“源天体”（source）
图5、引力透镜和所呈的像（图片来源：wikipedia）
不难想象，透镜天体的质量对整个引力透镜的模样有很直接的影响。质量越大，其周围时空的光线偏折也就越明显。因此，我们可以利用引力透镜效应来计算透镜天体的质量。这是引力透镜一个很重要的应用。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，会比它本身要更亮。这也是为什么引力透镜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。
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(Rudi Welt Mandl)，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，还涉及到光学，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）
图6、爱因斯坦（右）和曼德尔（左）（图片来源：wikipedia）
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，以后会被学术界的笑话的。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，他通过科学服务部门询问爱因斯坦，这样，爱因斯坦终于发表了空间透镜的工作。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。
图：爱因斯坦关于引力透镜的论文
寻找宇宙的幻象
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。
图7、雨后的彩虹，就像太阳光的指纹
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。
我们来看看1979年观测到的第一个引力透镜现象，在图像中可以看到两个亮点，这两个亮点的光谱分解后几乎一样（上下两条曲线的波形几乎一致），这是人类在星系中发现引力透镜的一个主要手段。
图8、类星体0957+561的两个像的光谱，横坐标是波长，纵坐标是流量
之前我们提到，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，那么恒星和行星这一类天体的引力比较小，造成的引力透镜现象也弱了很多，但我们真的观测不到吗？这里，爱因斯坦忽略了另一个现象，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。
图9、微引力透镜（图片来源：wikipedia）
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
引力透镜现象在人类天文学中发挥着重要的作用，它主要的作用包括验证广义相对论、确定天体质量包括暗物质质量、以及用来探测遥远的天体，利用微引力透镜效应可以用来寻找系外行星。除此之外，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，人类会先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，更深入的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。
（图片来源：wikipedia）
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