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17路(17LUBBS) · 看见更远的宇宙

四重像不是反射,是同一个天体被掰成了四份

把一个厚底玻璃杯放在台灯前,透过杯底看灯焰,常能看到两三个重影。那是折射,光线在不同介质交界处拐了弯。宇宙里也有类似的拐弯,但介质不是玻璃,而是质量本身。一个前景星系把背后类星体发出的光掰弯,可以掰出四个像,而这四个像其实是同一个天体的四份拷贝。

强引力透镜把背景天体的光偏折,偏折角约为 4GM/(c²b),与光的频率无关。太阳边缘的偏折角是 1.75 角秒,典型星系透镜的爱因斯坦半径约 1 角秒。当背景源、透镜星系、观测者接近排成一线时,源会被成四个像甚至一整圈,这个几何同时被用来称量透镜质量。

偏折角只取决于质量和瞄准距离

广义相对论给出的偏折角是引力常数乘质量,除以光速平方与瞄准距离。光线越贴近质量中心,拐得越厉害;质量越大,拐得越厉害。光的波长不出现在公式里。

1919 年的日食观测检验了这一点:星光掠过太阳边缘时偏了约 1.75 角秒,与预言吻合,而牛顿力学只给出一半。

四个像出现在三者几乎排成一线时

如果背景源正好在透镜正后方,像会摊成一个环,叫爱因斯坦环。源稍微偏一点,环就断成两段;偏得再多一些,成四个像。

之所以是四个而不是两个,是因为真实透镜不是点质量,而是一个有椭率的延展质量分布。不同的成像路径对应不同的放大率和不同的到达时间。

像的位置反过来编码了透镜的质量

正问题容易:给定质量分布,算像的位置。反问题才是天文上真正有用的:测到像的位置、形状、放大率,反推透镜的质量分布,包括看不见的那部分。

这也是星系团质量的主要测量手段之一。X 射线测热气体,引力透镜测总质量,两者相减就是暗物质的份额;再加上成员星系的速度弥散,三种方法可以互校。数字对不上时,说明模型缺了东西。

时间延迟可以绕开距离阶梯

四个像走的路程不同,穿过引力势的深度也不同,因此到达时间有先后,差值通常在几天到几个月。

这个时间差正比于一个由几何决定的距离组合。测出时间差,再有了透镜质量模型,就能直接算出哈勃常数,不需要造父变星那一整套阶梯。

参数 数值 口径与来源
太阳边缘偏折角 1.75 角秒 1919 年日食观测
爱因斯坦十字的红移 1.695(源)、0.039(透镜) QSO 2237+0305
典型星系透镜的爱因斯坦半径 约 1 角秒 星系尺度透镜统计
强透镜时间延迟 天到月量级 依质量与几何而定
时间延迟给出的 H0 约 73 km/s/Mpc H0LiCOW 与 TDCOSMO 系列
弱透镜剪切信号量级 约 1% 宽视场巡天

哪些是观测,哪些还是推断

观测证实太阳边缘的偏折角、多重像的位置与流量比、爱因斯坦环的存在、时间延迟的实测值。这些都是直接成像或光变曲线测量,不依赖透镜模型。
理论预言偏折角公式、像的数量与排布、时间延迟与距离组合的关系,都在观测之前算好。1919 年的日食检验是最早的一次成功预测。
尚未定论时间延迟测 H0 的精度受限于透镜质量模型的系统误差,特别是沿视线方向的暗物质分布;这条路线给出的约 73 与微波背景的 67.4 之间的差距是否真实,仍无共识。

常见问题

四个像是四个不同的天体吗?

不是。四个像的光谱完全一致,连内部的发射线轮廓都相同,只有到达时间和亮度不同。这是同一个天体被多条路径成像。

为什么有的星系会变成环?

源、透镜、观测者三者几乎严格共线时,像会连成一圈。环的直径直接对应透镜质量,是天文学家最想要的那种构型。

肉眼能看到引力透镜吗?

看不到。星系尺度的偏折只有角秒量级,需要望远镜;太阳的 1.75 角秒也远小于人眼约 60 角秒的分辨极限,只能在日食时用照相测量。

延伸阅读

  • Einstein, A. 1936, Science 84, 506
  • Walsh, D., Carswell, R. F. & Weymann, R. J. 1979, Nature 279, 381
  • H0LiCOW 合作组论文(2019 年起)与 TDCOSMO 系列结果
免责声明:本文为科普性整理,依据文末所列公开资料与观测数据写成,不构成科研结论或任何形式的建议。科学认识会随新观测与新模型修正,引用请注明来源。如有侵权请联系删除。
文章名称:四重像不是反射,是同一个天体被掰成了四份
文章链接:https://www.17lubbs.com/gravitational-lensing-four-images/
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