宇宙中的神奇幻觉
——引力透镜揭秘

毛淑德

宇宙浩瀚无垠，其间星系无数，苍穹之中常常出现瑰丽景象，给予人类视觉的震撼。神奇的引力透镜折射出的景象都是真实存在的吗？它们如何产生？又代表了什么？我们是否可以从中窥见宇宙的起源、演化和未来？

揭秘宇宙幻觉——强引力透镜

眼见一定为实吗？

有时候人们会看到海市蜃楼，它显然不是真实的存在，而是折射产生的梦幻泡影。那么，我们看到的宇宙都是真的吗？其实，宇宙中任何天体发出的光在传播过程中，由于从光源到观测者之间物质分布的不均匀，都发生了不同程度的弯曲。所以，当我们用望远镜去观测非常遥远的宇宙时，看到的并不是真正的宇宙；由于不同强度引力透镜的作用，显像发生了不同程度的变形。

引力透镜是什么呢？如果遥远天体和地球之间没有物质的话，天体向地球方向发出的光沿直线传播，从地球上只能看到它的一个像；如果天体和地球之间存在某种物质（如旋涡星系），根据广义相对论，任何有质量的物体都会使周围的时空发生弯曲，天体射出的光经过旋涡星系时，会发生扭曲，我们从正面看的时候，会看到旋涡星系背后叠加出现了多个美丽的像（图 3-1）。依此类推，实际上我们看到的并不是真正的宇宙。另一方面，人类观测到的引力透镜现象正好验证了广义相对论。

关于发现引力透镜的趣事

关于发现引力透镜还有一个有趣的故事，与爱因斯坦（Albert Einstein）和当时在美国洗碗打工的捷克工程师曼德尔（Rudi Welt Mandl）有关。1936 年，美国科学院教育部门收到了一份论文，论文涉及很多方面，包括广义相对论、光学、天体物理学，甚至恐龙灭绝等。稿件的主人曼德尔表示，如果不接收论文，他就不离开，因此教育部门的人只好找借口打发他，让他去找广义相对论方面的专家。于是，曼德尔在 1936 年春天拜访了爱因斯坦。他并没有告诉爱因斯坦他曾给很多诺贝尔物理学奖获得者写过信，但都没有得到回应。爱因斯坦客气地接待了曼德尔，也听了他的理论，但是当爱因斯坦听到理论中关于恐龙灭绝部分的时候，悄悄对曼德尔说：“你最好还是不要告诉别人，否则你会被当成疯子。”曼德尔与爱因斯坦讨论之后，爱因斯坦答应他会把文章发表出来，但是他走之后，爱因斯坦想了想，又决定不发了，因为觉得没有什么重要性。后来，曼德尔又给爱因斯坦写了很多信，爱因斯坦被逼无奈只好把这篇文章发表在《科学》杂志上，并给编辑写了一封短信表示感谢，信中说道：“谢谢您帮忙发表这篇文章，因为这篇文章是被曼德尔先生榨取出来的，它几乎没有什么价值，但论文发表会让这个可怜的家伙感到高兴。”

为什么爱因斯坦会觉得这篇论文没有价值呢？原来，早在 1912 年爱因斯坦就已经完整推导出相关公式（图3-2），但他将这件事完全抛诸脑后。曼德尔的想法以及他对发表此种想法的迫切心情让引力透镜理论得以展示在公众面前。在《科学》杂志发表的文章里，爱因斯坦表现得很悲观，对此他说过一段话：“当然，直接观测这个现象是没有希望的。首先，我们几乎不可能这么接近一条中心线；其次，β角将挑战我们仪器的分辨能力。”

为什么爱因斯坦会这么说呢？借助右图来说明。图中左边的地球、中间的天体、右边的恒星位于一条直线上。我们观测到的右边恒星（源天体）的光，经过中间这颗星（透镜天体）聚焦到地球。爱因斯坦将这两个视线的角度称为β角（图 3-3），β角实际上是很小的，只有哈勃望远镜分辨率的 1%。以当时的技术，在地球上根本没有办法分辨这个角度。另外，我们发现在地球上能不借助最新的仪器观察到这种现象的概率很低，所以说爱因斯坦的担心完全是正确的。

幸亏曼德尔足够自信、执着与坚定，人们如今才有机会见识到引力透镜的强大力量。

今天的科学家怎么解决爱因斯坦的担忧呢？其实很简单。宇宙中所有的物体都在运动，当有黑洞、恒星或星系运动到地球与源天体之间时，假设它从很远的地方逐渐靠近我们，引力聚焦效应就会变大，这时我们看到的源天体会变亮，而在它离开后，源天体又会回到原来的亮度。而对于爱因斯坦提到的地球、透镜天体与源天体在一条直线上出现概率低的问题，其实更好解决。银河系中恒星很多，在银河系的中心甚至有上百亿颗恒星，借助自动搜索软件、机器学习、人工智能等先进手段，找到它们的可能性很大。目前，人类大概可以监测到两亿颗恒星，25 年来已经发现 25 000 多个引力透镜的实例，其中很多是实时发现的。

引力透镜的相关成果

近15 年，引力透镜研究领域最大的进展是系外行星的发现。它的原理相当简单。想象一下，如果透镜天体旁边有一个系外行星，它的光变曲线是什么呢？行星和主星的质量比是很小的，但行星仍会有微小的引力聚焦作用，所以我们看到的光变曲线会像图 3-4 所示。这是一个实际观测的例子：它是在光变曲线主峰出现前 20 天到后 20 天内发生的光变事件，在主峰的右侧有一个小峰，是个一天左右的光变事件。这个事件是由一个约 5 倍地球质量的系外行星引起的。如果通过这样的效应看系外行星，对于接近木星质量的系外行星，这个“小峰”会持续一天左右，但对于接近地球质量的系外行星而言，只会持续几个小时，因此必须 24小时跟踪。我国的天文学家在全球接力观测中也发挥着作用。截至目前，利用引力透镜已经发现了 65 个系外行星，随着进一步的投入与发展，用这种方法到 2025 年左右可能会发现上千个系外行星，如果与其他方法配合使用，我们可以发现几千个系外行星。这就能为我们的研究提供更大的样本，以进行系外行星的“人口普查”。

到现在为止，我们所讲述的都是恒星作为透镜天体的案例。1937 年，兹维基（Fritz Zwicky）于爱因斯坦发表文章之后，马上发表文章指出爱因斯坦的一个错误，那就是爱因斯坦只考虑了恒星作为透镜天体，但那时已经发现星系和星系团，它们也能引起引力透镜现象。1937 年，他在一篇很短的文章中指出引力透镜可以有 3 种作用：检验广义相对论、探测遥远天体、确定天体质量（包括暗物质质量）。这篇文章发表后 80 多年，科学家们的工作基本上没有超出这个范围。这篇文章发表 40 多年以后，人们在 1979 年发现第一个星系尺度的引力透镜。

如何确定经过透镜效应观测到的几个像是同一个源天体的呢？我们都知道，雨滴可以把白光分解成从红到紫的彩虹。同理，天文学家也可以用仪器把一个天体的能量随波长或频率的变化用光谱表示出来。天体的光谱就像人类的指纹，独一无二，所以如果光谱相同，说明观测到的这两个像来自同一个源天体。除这种观测到两个像的系统外，还可能观测到更多个像的引力透镜现象。如果源天体不是单一的恒星点源，而是一个延展的星系或多个星系，就会看到更美的引力透镜现象（图 3-5）。

引力透镜不仅很漂亮，还很有用。天体物理学有一个基本问题——如何测量天体质量？我们可以看到天体发出的光，但没有办法接近天体测量其质量。但是，引力透镜可以帮助我们计算天体质量。根据相对论方程可以精确计算出“爱因斯坦环”内的总质量，这个计算结果不受透镜星系中的物质是否发光的影响。我们计算出透镜星系的总质量，减去中间发光恒星的质量还剩下的那部分，就是暗物质的质量，因此引力透镜也是证明暗物质存在的强有力的证据之一。

引力透镜有很多的应用，如探测系外行星，了解宇宙中物质（包括暗物质）的分布和暗物质的冷温属性，还可通过引力透镜的时间延迟效应来观测超新星的爆炸、引力波源突变等物理现象。虽然引力透镜效应使我们无法看到宇宙的绝对真相，但它像一条看不见的丝带，把宇宙中各个尺度的天体——从单个行星到星系团——联系起来，某种意义上这是数学和物理之间深层次的美，也是宇宙的大美。