當(dāng)廣義相對論在100年前提出的時(shí)候，科學(xué)家就意識到光線會在引力的作用下彎曲。但是，哪怕是愛因斯坦自己都沒有預(yù)料到，這種效應(yīng)可以幫助今天的科學(xué)家探測最遙遠(yuǎn)宇宙中的暗淡天體。
哈勃Frontier Field項(xiàng)目拍攝到的Abell370照片。這是目前光學(xué)引力透鏡研究最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。我們可以看到在圖像中存在大量長弧狀的天體，這些都是被引力透鏡強(qiáng)烈扭曲的星系。在圖片中有很多暗淡的小光點(diǎn)，其中很多不屬于這個(gè)星系團(tuán)，而是非常遙遠(yuǎn)宇宙中的星系。
鯨魚座，對于大多數(shù)觀察星空的愛好者來說是個(gè)無聊的星座。雖然占據(jù)了1231平方度的夜空，面積在全天88個(gè)星座中排名第四，但里面一顆亮星也沒有。鯨魚座最亮的恒星是天囷一，視星等只有區(qū)區(qū)2.54等, 在所有恒星亮度中僅排名93，簡直是平平無奇。鯨魚座究竟怎樣獲得這個(gè)威武的名字也耐人尋味，只有想象力豐富到爆炸的人，可能才真的能夠看出來這是一個(gè)噴水的鯨魚吧。對大多數(shù)觀星者來說，這個(gè)星座只是暗淡恒星構(gòu)成的幾個(gè)多邊形而已。
圖1. 鯨魚座的星空區(qū)域。（圖源：Till Credner/wikipedia.org）
鯨魚座暗淡的原因在于，它處于夜空中遠(yuǎn)離銀河盤面所在的區(qū)域。正因?yàn)槿绱?，這片天區(qū)也較少受到銀河塵埃的阻礙，有利于觀察者看到更遠(yuǎn)處的宇宙。資深的星空愛好者知道，借助小型望遠(yuǎn)鏡可以在這個(gè)星座里找到M77——梅西耶星云團(tuán)表中最有趣的天體之一。這是一個(gè)漩渦星系，有著清晰可見的旋臂結(jié)構(gòu)，足堪反復(fù)玩味。不過要想真的在這塊夜空中看到一些宇宙奇景，需要更大的投入。在圖2中，讀者可以看到智利CTIO天文臺Chart32全自動(dòng)化望遠(yuǎn)鏡拍攝的Abell370的照片(這一望遠(yuǎn)鏡部分的時(shí)間面向美國初高中天文科學(xué)實(shí)踐開放)。這張圖片是這個(gè)小型望遠(yuǎn)鏡14個(gè)小時(shí)的拍攝結(jié)果，圖像質(zhì)量令人驚異。這張照片只拍攝了鯨魚座一小塊天區(qū)，大小和普通人伸直手臂，用拇指擋住的天空大小類似。雖然是中學(xué)生也可以接觸到的望遠(yuǎn)鏡，Chart32望遠(yuǎn)鏡收集光子的能力可是人眼的2萬倍。這使得深藏鯨魚座夜幕中的暗淡天體大量浮現(xiàn)出來。在圖片上，除了少數(shù)的恒星，絕大多數(shù)都是遠(yuǎn)在銀河系之外的河外星系。但在照片中心處，你可以發(fā)現(xiàn)星系的顏色都是較為接近的橘黃色，而且密集的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過周邊的其他區(qū)域。
圖2. 位于智利CTIO天文臺， 70cm Chart32望遠(yuǎn)鏡拍攝到的Abell370星系團(tuán)圖像。橘紅色的星系大多是星系團(tuán)的成員星系。紅框內(nèi)的奇怪天體是實(shí)際上是引力透鏡作用下的星系團(tuán)背后的一個(gè)星系的圖像。（圖源：參考資料[1]）
這些星系構(gòu)成了一個(gè)巨大的集團(tuán)，一般被稱作星系團(tuán)。我們在照片中看到的星系團(tuán)是1958年George Abell編輯的星系團(tuán)表中距離我們最遙遠(yuǎn)的一個(gè)，編號Abell370，距離我們40億光年，是宇宙中最大的被引力束縛的天體集團(tuán)之一。圖片中憑借肉眼就能識別的星系團(tuán)成員就足足有上百個(gè)，占據(jù)了直徑數(shù)百萬光年的宇宙空間。
更令人驚異的是，我們所看到的星系實(shí)際上只是這個(gè)星系團(tuán)的很小一部分。如果我們將目光移向Chandra X-ray望遠(yuǎn)鏡的觀測區(qū)域，我們會發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系團(tuán)中心充滿了熾熱的氣體。這些氣體和我們宇宙中其他地方冷氣體的成分相差無幾，都是由氫原子和氦原子構(gòu)成的。獨(dú)特之處在于這些氣體的溫度極高，達(dá)到了數(shù)千萬攝氏度。溫度代表了氣體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。極高溫度的氣體，意味著每一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速度都極快。為什么這些氣體能夠聚集在星系團(tuán)的中心，而不四散而開呢？人們在上世紀(jì)80年代意識到，星系團(tuán)中心熱氣體的存在意味著星系團(tuán)的引力質(zhì)量要比熱氣體加上恒星的總和還要大得多。這些質(zhì)量來自于暗物質(zhì)的貢獻(xiàn)。這類物質(zhì)幾乎不參與電磁相互作用，只有通過它的引力效應(yīng)人們才能認(rèn)識到它的存在[2]。星系團(tuán)中心熱氣體的聚集正是被星系團(tuán)中巨量暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力所束縛。一般而言，在星系團(tuán)中熱氣體的質(zhì)量要比恒星的質(zhì)量多上10倍左右，而暗物質(zhì)的質(zhì)量又比熱氣體的總質(zhì)量大上4-5倍。如果我們算上Abell370中所有的物質(zhì)貢獻(xiàn)，那么在其中心附近1000光年半徑的區(qū)域里聚集了三百萬億恒星質(zhì)量。
圖3. Chandra X-ray衛(wèi)星觀測結(jié)果和Hubble望遠(yuǎn)鏡圖像疊加生成的圖片。紫紅色表現(xiàn)了星系團(tuán)中熱氣體的分布。藍(lán)色則表現(xiàn)了由引力透鏡分析計(jì)算出的暗物質(zhì)分布。（圖源：參考資料[3]）
星系團(tuán)巨大的引力會為我們展現(xiàn)出超出常識的奇景?，F(xiàn)在讓我們再一次審視Chart32拍攝的星系團(tuán)圖像。在星系團(tuán)下方，讀者可以看到一個(gè)蜿蜒細(xì)長的弧形天體，有點(diǎn)像是一顆劃過星空的彗星。這個(gè)奇怪的天體最早在1973年的照相觀測中引起人們的興趣。但早期的觀測無法測量這個(gè)天體進(jìn)一步的特性。各種有趣的假說被用來解釋它的存在，例如就有人認(rèn)為這個(gè)長弧狀的天體是“具有恒星爆發(fā)的冷氣體流”，也有人提出這個(gè)長弧和氣體在星系團(tuán)中的激波有關(guān)。在眾多答案中，普林斯頓大學(xué)的Paczynski意識到了正確的解答[4]：這是一個(gè)普通的星系，它的距離要比星系團(tuán)Abell370遠(yuǎn)的多。它的形狀之所以如此奇怪，是因?yàn)樾窍祱F(tuán)巨大的引力使得它發(fā)出來的光線路徑產(chǎn)生了扭曲，因此它的形狀就變得像哈哈鏡中的人像一樣奇怪了。
圖4. 早期研究中Abell370的圖像。（作者：V. Petrosian，圖片來自Gravitational Lenses （By P. Schneider, J. Ehlers and E. E. Falco 1992））
愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力透鏡效應(yīng)會改變遙遠(yuǎn)背景天體在照片上的位置、形狀和大小，但是不改變天體的表面亮度。Abell370里的這個(gè)長長的星系，比原來的樣子大了不少，因此總的亮度也比原來亮了不少。天文學(xué)家早就觀察到，遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)覆蓋的天區(qū)里，似乎藍(lán)色的星系要比人們預(yù)期的多不少。在考慮了星系團(tuán)的引力透鏡效應(yīng)后，這就容易解釋了，這都是更遙遠(yuǎn)宇宙中的暗淡星系，不屬于星系團(tuán)的成員，也本不會被看見，但星系團(tuán)的引力透鏡的放大效應(yīng)讓它們顯現(xiàn)了出來。
星系團(tuán)對背景星空的放大率并不均勻。星系團(tuán)中心也并不是放大效應(yīng)最強(qiáng)的地方。引力透鏡專家可以利用廣義相對論計(jì)算星系團(tuán)的放大效應(yīng)，預(yù)測星系團(tuán)不同區(qū)域的放大能力。星系團(tuán)放大率最強(qiáng)的地方在所謂的“臨界曲線”附近。理論上，落在臨界曲線上的點(diǎn)光源可以獲得趨向無窮的放大率。但光源總是有一定的面積，所以放大率總是一個(gè)有限的值。對星系團(tuán)來說，位置非?？拷R界曲線的天體可以獲得成百上千倍的放大率。
天文學(xué)家意識到，星系團(tuán)的巨大引力場，讓它們變成了天然的望遠(yuǎn)鏡，可以幫助人們觀察到更遙遠(yuǎn)的宇宙。一般而言，如果要建造一個(gè)收集光線能力增加100倍的望遠(yuǎn)鏡（意味著望遠(yuǎn)鏡的鏡面面積增加10倍），預(yù)算可能要增加1000倍。而借助星系團(tuán)這個(gè)自然的饋贈(zèng)，天文學(xué)家可以在特定的宇宙方向得到免費(fèi)的觀測能力，在這里挖掘最遙遠(yuǎn)宇宙中的星系。2002年，Esther M. Hu在Abell370的天區(qū)發(fā)現(xiàn)一個(gè)來自紅移6.56的星系[5]，這個(gè)星系距離我們一百二十億光年，是當(dāng)時(shí)人們找到的最遙遠(yuǎn)的星系。
考慮到星系團(tuán)引力透鏡帶來的額外放大能力， 2013-2017年間， 哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了運(yùn)行以來最大的觀測項(xiàng)目之一——Hubble Frontier Fields。在這個(gè)觀測項(xiàng)目中，哈勃望遠(yuǎn)鏡會對包括Abell370在內(nèi)的6個(gè)星系團(tuán)進(jìn)行總共超過600小時(shí)的曝光。這使得人們在這些區(qū)域的探測能力超過肉眼極限數(shù)億倍，可以看到微弱至28等的星系。這些非常暗淡的星系中有很多距離我們極端遙遠(yuǎn)。光線從這些星系出發(fā)，傳播到哈勃望遠(yuǎn)鏡中需要漫長的時(shí)間，因此我們實(shí)際上正在觀察它們遠(yuǎn)至一百三十二億年之前的樣子。那時(shí)候宇宙正處于演化的早期，經(jīng)歷著一個(gè)被稱作再電離化的過程。在這個(gè)時(shí)代，宇宙正逐漸從一個(gè)充滿不發(fā)光的黑暗時(shí)代邁向一個(gè)由星系點(diǎn)亮的光明時(shí)代。天文學(xué)家一直在爭論，究竟什么樣的天體是宇宙中第一批明亮的天體，在帶給宇宙光明的過程中起到了決定性的作用。Hubble Frontier Fields中顯示出來的這些暗淡星系就是這個(gè)舞臺上重要的演員。它們雖然暗淡，但可能數(shù)目眾多，在宇宙走向光明的過程中貢獻(xiàn)了不可忽視的紫外波段光子。這些星系原本被認(rèn)為只有下一代James Web望遠(yuǎn)鏡（比哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡面直徑大四倍，收集光線能力強(qiáng)16倍）才可能拍攝到。但借助愛因斯坦的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家成功地提前窺視到宇宙最遙遠(yuǎn)疆域的秘密。
在本文中，我們只描述了引力透鏡效應(yīng)很小的一部分應(yīng)用。事實(shí)上，這件發(fā)端于愛因斯坦引力理論的觀測工具的豐富多彩，已經(jīng)成為了天文研究中的重要領(lǐng)域[6]。這絕非愛因斯坦的初衷。在這位理論創(chuàng)始人的一生里，可觀測的宇宙及其演化歷史并未占據(jù)他太多的時(shí)間，他曾短暫地研究引力透鏡效應(yīng)，但很快因?yàn)槠湫?yīng)的微弱而不再投入精力。他大概從未意識到，廣義相對論還能夠以這種形式在宇宙研究的舞臺上大放異彩吧。
作者簡介：李然，畢業(yè)于北京大學(xué)天文系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位（2006年）和博士學(xué)位（2011年）。其后在國家天文臺從事博士后研究，現(xiàn)在為國家天文臺星云計(jì)劃研究員。主要研究領(lǐng)域：引力透鏡，星系形成以及宇宙學(xué)。業(yè)余從事科普寫作，已出版《漫步到宇宙盡頭》一書。
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參考資料
[1] http://www.chart32.de/index.php/component/k2/item/124
[2] 詳見賽先生專欄文章《圍剿暗物質(zhì)》
[3]Paczynski, B. 1987,Nature, 325, 572.
[4]X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK - http://chandra.harvard.edu/photo/2015/dark/dark_a370.jpg
[5] Hu et al. 2002, ApJL, 568, 75
[6]《眼見不為實(shí)——引力透鏡效應(yīng)》，知識分子專欄
