引力透鏡，宇宙漣漪，有何奧秘？

與暗物質有關。

這張哈勃望遠鏡的快照顯示了三個放大的嵌入星系團的遙遠星系的像。這些現(xiàn)象是自然的一種“把戲”——引力透鏡造成的。星系團巨大的引力放大并扭曲了后方遙遠星系發(fā)出的光，創(chuàng)造了這些像。其中右下角拉出的兩個像完美復制了對方。這兩個明亮的橢圓是星系核。這個罕見的現(xiàn)象發(fā)生是因為背景星系跨越了空間結構中的漣漪。由于大量暗物質產(chǎn)生的巨大引力，這些“漣漪”是引力透鏡放大倍率最高的區(qū)域。（圖源：約瑟夫·德帕斯夸萊（太空望遠鏡科研所））

天文學家們相信，他們最終解開了哈勃空間望遠鏡數(shù)十年前首次發(fā)現(xiàn)的一個謎團。

困境集中在一個奇怪的“雙星系”上，人們曾經(jīng)無法解釋這對條紋天體的成因。現(xiàn)在科學家認為，這實際上是一個遙遠的星系而非兩個天體，由于宇宙空間中的漣漪放大和扭曲了它的“像”，最終呈現(xiàn)出兩個天體的樣子。

離地球將近110億光年的這對天體看起來就像它們中另一半的鏡像。2013年，科學家們第一次看到它們時就立刻懷疑，這是一種“引力透鏡”現(xiàn)象——當遙遠的天體發(fā)出的光線被該物體和觀察者之間的物質的引力扭曲時發(fā)生的奇觀，就像透過魚缸看物體一樣。

這解釋了這種現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的，但沒有挖掘其背后的成因和本質。哈勃望遠鏡在工作期間已經(jīng)捕捉到了許多引力透鏡天體，而這對天體像的產(chǎn)生原因不止是簡單的光線彎曲。引力透鏡效應在一定程度上不但放大了星系，同時也復制了它，創(chuàng)造出兩個明亮的像，以及在圖像中也可以看到的第三份副本。

經(jīng)過多年的思考，天文學家終于找到了問題的“罪魁禍首”：一個巨大的、未編目的星系團位于哈勃望遠鏡和該天體之間，它距離地球約 70 億光年。 此外，被透鏡影響的星系恰好位于一種空間漣漪上。暗物質——構成宇宙物質中的85%的神秘物質，它的引力引起了這些漣漪。

研究者認為，當遠處星系的光線沿著這個漣漪穿過了位于其前方的星團時，還會產(chǎn)生一個額外的像。

“想象在一個晴朗的日子里，透過游泳池里波光粼粼的水面，可以看到池底的閃閃發(fā)光的圖案。”美國夏威夷大學希洛分校的天文學家理查德·格里菲斯在他主著的一份聲明中這樣說。

“池底的這些明亮圖案的成因與引力透鏡效應相似，”格里菲斯補充道，“水面上的漣漪充當了一部分透鏡，它將陽光聚焦到池底，形成明亮的波浪狀圖案?！?/p>

研究團隊的成員們說，“漣漪”可以幫助天文學家們更好地理解暗物質在宇宙中的分布。比如，通過比較哈勃望遠鏡拍攝到的受引力透鏡效應影響的空間照片和同一區(qū)域的電腦模型，研究人員確定，暗物質可能不是塊狀的，而是平均地散布開的。

“幸運的是，我們只需要兩張鏡像對比照片就可以了解暗物質在這些位置是否是結塊的。” 該研究的合著者、德國海德堡大學的天文學家珍妮·瓦格納在同一份聲明中說。

該研究發(fā)表在《皇家天文學會月刊》雜志的九月刊上。

相關知識

在宇宙學中，暗物質是指不與電磁力產(chǎn)生作用的物質，也就是不會吸收、反射或發(fā)出光。人們目前只能透過重力產(chǎn)生的效應得知，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙中有大量暗物質的存在。 現(xiàn)代天文學經(jīng)由引力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。

引力透鏡效應，根據(jù)廣義相對論，就是當背景光源發(fā)出的光在引力場附近經(jīng)過時，光線會像通過透鏡一樣發(fā)生彎曲。光線彎曲的程度主要取決于引力場的強弱。分析背景光源的扭曲，可以幫助研究中間作為“透鏡”的引力場的性質。根據(jù)尺度與效果的不同，引力透鏡效應可以分為強引力透鏡效應和弱引力透鏡效應。

BY: Rahul Rao (published October 19, 2021)

FY: Ludwig_XU

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