愛因斯坦十字是什麼？_星系_天體_前景

愛因斯坦十字是什麼？

作者:大可數學人生工作室

目錄

類星體“幻影”

繪制暗物質地圖

01

類星體“幻影”

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1979年，天文學家驚訝地發現似乎有一個雙類星體——兩個類星體具有完全相同的紅移和類似的光譜，在天空相隔只有幾角秒。這樣一個雙類星體的發現本來就夠驚人了，但它們的真相竟然更加驚人的：對這兩個類星體的射電發射的仔細研究發現，它們並非是兩個不同的天體。相反，它們是同一個類星體的兩個單獨的像！這樣的雙類星體的光學圖像展示在圖1中。

圖1：雙類星體。這個“雙重”類星體(編號為AC114，距我們約20億pc)並不是兩個獨立的天體。相反，兩個大的“斑點”(左上和右下)是同一個天體的兩個像，通過引力透鏡形成。透鏡星系本身在圖中可能是不可見的——這個圖像中靠近畫面中央的兩個天體被認為是前景星系團中的不相關的星系。

是什麼能讓類星體的圖像這樣“翻倍呢？答案是引力透鏡——背景天體的光被某些前景天體的引力所偏折和匯聚(見圖2)。在之前的文章中，我們看到了銀河系銀暈中致密天體的透鏡效應如何放大一個遙遠恒星的星光，允許天文學家探測不可見的恒星級的暗物質。在類星體的情況下，這個想法是一樣的，只是前景透鏡天體是整個星系或星系團，因此光的偏轉是如此之大(幾角秒)以至於可以形成一些單獨的類星體的像，如圖3所示。目前已知大約有二十多個這種引力透鏡。隨著望遠鏡以越來越高的靈敏度探索宇宙，天文學家們開始認識到，引力透鏡是宇宙中比較常見的特征。

圖2：引力透鏡。當來自遙遠天體的光在視線方向上接近一個星系或星系團時，背景天體(在這裏是類星體)的像有時可以分成兩個或更多獨立的像(A和B)。前景天體就是一個引力透鏡。

圖3：愛因斯坦十字。(a)"愛因斯坦十字”，一個類星體相互分開只有幾角秒的多重像。本圖顯示了位於中央的星系產生的同一個類星體的四重像。(b)一個簡化的藝術圖，展示了如果地球在右邊，遙遠的類星體在左邊，這時會發生什麼。

這些複合圖像的存在給天文學家提供了許多有用的觀測工具。首先，前景星系的透鏡效應往往會增強類星體的光，像剛才提到的那樣，使其更容易被觀測。與此同時，星系內單個恒星的微引力透鏡可能會導致類星體亮度較大的波動，允許天文學家既研究類星體，又研究星系的恒星成分。通過仔細比較在不同波長處亮度的增加，天文學家可以用其他任何方式所不能達到的尺度去探測類星體吸積盤的結構。

第二，由於不同像的光到我們的路徑長度不同，因此在不同的透鏡像之間通常存在一個時間延遲，從幾天到幾年不等這種延遲提供了對有趣事件的預告，比如類星體亮度的突然變化。因此，如果一個像突然變亮，另一個(或另一些)像就也會按時變亮，這就給了天文學家研究這一事件的第二次機會。時間延遲也允許天文學家確定透鏡星系的距離。這種方法提供了一種獨立於先前討論的任何技術的測量哈勃常數的替代手段。使用這種方法的研究人員所報告的H_0的平均值為65km/(s·Mpc)。

最後，通過研究背景類星體和星系與前景星系團的引力透鏡，天文學家可以更好地了解暗物質在這些星系團中的分布，而這是宇宙大尺度結構中的一個很重要的問題。

02

繪制暗物質地圖

天文學家已經將首先從類星體研究中學會的方法擴展到了所有遙遠天體的引力透鏡上，以便更好地探測宇宙。遙遠暗淡的不規則星系——如果目前的理論是正確的，它們就是宇宙的原料——在這裏特別令人感興趣，因為它們比類星體更常見，它們能更好地覆蓋天空。通過研究由前景星系團造成的背景類星體和星系的引力透鏡，天文學家可以更好地了解暗物質在大尺度上的分布。

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圖4(a)和圖4(b)顯示了暗淡的背景星系的像是如何被前景星系團的引力彎曲成弧形的。彎曲程度允許我們測量前景星系團的總質量(包括暗物質的質量)。在圖4(b)中可見的(多為藍色的)環形和弧形特征是一個單個的遙遠(看不見的)旋渦或環狀星系，由前景星系團(圖中的黃色斑點)的引力透鏡效應造成的多重像。

圖4：星系團引力透鏡。(a)這幅壯觀的引力透鏡的例子顯示了來自非常遙遠星系的一百多條暗淡的弧線。穿過前景星系團(A2218，距我們大約十億秒差距)的纖細線條類似於蜘蛛網，但它確實是A2218的引力場——偏折了背景星系的光，扭曲了其外觀——造成的幻象。通過對扭曲程度的測量，天文學家可以估計居間星系團的質量。(b)另一星系團，編號是0024+1654，距我們約15億pc，顯示出來的紅黃色斑點大多數是正常的橢圓星系，藍色環狀結構是一個單個背景星系的像。

我們甚至可以通過仔細分析背景天體的扭曲而重構出前景天體的暗物質分布，從而提供一個方法，可以獲得在尺度上遠大於之前方法的物質分布情況。圖5是一個重構的地圖顯示了距一個小星系團(靠近地圖中心的最亮的斑點)中心數百萬秒差距處有暗物質存在。注意暗物質分布的拉長結構，讓人聯想到室女座超星系團和在大尺度星系巡天中所看到的纖維狀結構。

圖5：暗物質地圖。圖中背景天體測量到的扭曲能顯示出宇宙中的暗物質地圖。對這一包含小星系團的天區的光學圖像(a)的分析揭示了暗物質的分布(b)，以與(a)圖同樣的比例顯示在可見的星系團。

2006年，天文學家利用這些技術獲得了可能是暗物質的第一次直接觀測證據。圖6顯示了一個叫作IE0657-56的遙遠星系團的光學和X射線合成圖像。模糊的紅色區域顯示了星系團中熱的X射線發射氣體的位置，這是發光物質的主體。藍色區域表示了大多數物質實際所在的地方，通過研究該星系團對背景星系的透鏡效應而確定。需要注意的是，大部分物質並不以熱氣體的形式存在，這意味著在星系團中，暗物質的分布不同於“正常”物質。

圖6：星系團碰撞。星系團必然也會偶爾發生碰撞，正如這裏展示的情形。這個合成的星系團在星表中的編號是沒有特色的1E0657-56，名字叫作“子彈星系團”。這是一個距我們約10億pc的一片區域的合成圖像，顯示了以白色表示的來自星系本身的可見光，和以紅色表示的來自星系團內熱氣體發射的X射線。藍色代表推測的兩個巨大星系團內的暗物質，它們的位置已明顯偏離了兩個星系團的正常物質。

對於這個奇怪形狀的解釋是，我們正在目睹兩個星系團之間的碰撞。每個星系團最初的熱氣體和暗物質都分布在整個系統內，但當兩個系統相撞時，每個系統中的氣體雲的壓力便會傾向於讓對方停下來，令氣體雲落後於星系和暗物質前進位置的中心。氣體和暗物質之間的分離直接違背了一些被認為已經可以解釋星系和星系團的“暗物質問題”的非正統引力理論，這可能會被證明是我們對宇宙大尺度結構認識的關鍵部分。