哈勃太空望遠鏡捕捉到的一幅圖像，一個星系被涂抹在引力透鏡周圍，透鏡形成了有史以來最完整的宇宙引力愛因斯坦環之一。(圖片鳴謝:歐空局/哈勃和美國國家航空航天局，透鏡S. Jha鳴謝:L. Shatz)
（神秘的宇宙引力地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：引力透鏡效應是對來自背景光源的光的一種影響，它是透鏡由質量引起的時空彎曲的結果，時空的宇宙引力三維空間和時間結合成一個單一的實體。
當來自明亮背景光源(如恒星、透鏡類星體或整個星系)的宇宙引力光穿過一個非常大的物體(如另一個星系或星系團，被稱為透鏡物體或引力透鏡)時，透鏡這種效應最明顯。宇宙引力
這可能有幾種結果；它可以使一個物體改變它在地球上空的透鏡明顯位置，或者它可以使一個物體出現在天空的宇宙引力多個點上，偶爾會產生壯觀的透鏡形成，如由同一物體制成的宇宙引力環和十字架。
不僅如此，引力透鏡實際上會導致背景物體發出的光被放大。這意味著天文學家可以將星系團產生的引力透鏡用作天然的宇宙放大鏡。
美國宇航局表示，這使它成為研究處于嬰兒期的宇宙的重要工具，從最早的星系發出的光通常太暗，無法通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和哈勃太空望遠鏡等儀器觀察到。
引力透鏡是如何工作的？
1915年，阿爾伯特·愛因斯坦引入了廣義相對論，徹底改變了我們對引力的看法，這一理論有時也被稱為引力幾何理論。引力透鏡就是從這個理論中誕生的。
愛因斯坦的想法是，重力源于這樣一個事實，即質量導致時空結構彎曲，質量越大，彎曲越大。可以把這想象成把質量越來越大的球放在拉伸的橡膠板上，保齡球比網球造成更大的“凹痕”。
當然，這種彎曲對通過它的其他物質有影響。因此，例如，由太陽引起的時空彎曲使地球保持在軌道上，而地球本身引起的彎曲使月球保持在軌道上。，2010年，第166頁]。

這幅圖顯示了一種被稱為引力透鏡的現象，天文學家用它來研究非常遙遠和非常暗的星系。請注意，該圖中的比例被大大夸大了。實際上，遙遠的星系要遠得多，也小得多。一張顯示時空彎曲如何導致引力透鏡化的圖表(圖片來源:美國宇航局、歐空局和l . calada)
美國理論物理學家約翰·惠勒簡潔地描述了廣義相對論的效應:“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何移動。”
但是，時空的曲率不僅僅影響物質；它也影響光，這意味著光總是以直線傳播，除非它不是直線。如果這聽起來很矛盾，想想畫在紙上的一條直線。如果紙是彎曲的，線本身并沒有偏離它的路徑，但是它仍然不再是直的。光的光子穿過空間時所遵循的路徑被稱為測地線，它可以像在紙上畫的線一樣彎曲。，2010年，第133頁]。
當光線通過由大質量物體造成的時空彎曲區域時發生彎曲，這就產生了引力透鏡效應。，2010年，第223頁]。
直到廣義相對論，在伊薩克·牛頓的物理學中，空間和時間被認為是宇宙事件發生的不變階段，盡管牛頓也預測了光的彎曲，但程度遠不如愛因斯坦。
將時空轉變為宇宙的一個動態變化的方面是有爭議的，這意味著廣義相對論在被20世紀的物理學界接受之前需要大量的證據。幸運的是，引力透鏡正好提供了一種可預測和可觀察的效應，可以用來提供這一證據。
引力透鏡如何證明愛因斯坦是對的

韋伯的第一個深空是星系團SMACS 0723，它充滿了成千上萬個星系——包括紅外觀測到的最微弱的物體。JWST號捕捉到的第一張深空圖像顯示了由引力透鏡產生的扭曲和變形的星系，這讓薩爾瓦多·達利熔化的時鐘相形見絀。(圖片來源:美國航天局、歐空局、加空局和STScI)
廣義相對論認為，作為引力透鏡的結果，來自背景光源的光在通過引力透鏡時發生彎曲，導致它發出的物體出現在天空中與正常情況不同的位置。
天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓認為，視位置的這一變化是證明廣義相對論的關鍵。他認為他可以利用日食和太陽變暗來觀察由太陽質量引起的被充分研究過的恒星的明顯位置移動。
愛丁頓利用1919年的日食來驗證這個想法，他前往巴西北部的索布拉爾觀察日食，同時另一個小組前往西非海岸的普林西皮島進行類似的觀察。
在1919年的日食中，太陽位于金牛座的一群明亮的星星Hyades的前面。光線彎曲效應在最接近太陽盤面的地方會達到極致，幸運的是，在日食期間，在太陽盤面附近可以看到許多Hyades恒星。
盡管在兩次探險中遇到了許多技術問題，但愛丁頓和天文學家安德魯·克勞德·德拉切羅伊斯·克羅梅林領導的第二個團隊觀察到了這些恒星的光線偏轉，這是太陽進入它們和地球之間的結果，這與廣義相對論的預測一致。表觀位置的變化是牛頓引力理論預測的兩倍。
雖然這些發現并非沒有爭議，但在此之后進行的許多類似的日食實驗進一步證實了引力透鏡和大質量物體的空間彎曲，并揭示了更多關于這一由引力引起的令人難以置信的現象。
引力透鏡的類型
根據加州大學伯克利分校的說法，引力透鏡有三種主要類型，強透鏡、弱透鏡和微透鏡。
強引力透鏡效應
顧名思義，強透鏡效應是其中最極端的一種，當引力透鏡特別大，并且被透鏡化的背景光源接近它時就會發生。這意味著來自這個光源的光可以通過多條路徑通過引力透鏡，這取決于它的路徑距離它有多近。因此，來自單個物體的強透鏡光可以在不同的時間到達觀察者。
如果被透鏡化的背景物體隨時間變化，那么它的多個圖像也將變化。加州大學伯克利分校解釋說，這不僅可以用來跟蹤超新星等爆炸事件的發展，大質量恒星的爆炸死亡，還可以用來測量宇宙膨脹的速度，即所謂的哈勃常數。
強引力透鏡效應的結果
第一次從一個物體上看到多個圖像是在1979年，當時天文學家看到了一個類星體的雙重圖像，這被稱為“孿生類星體”，有點不準確。
起初，天文學家認為這是兩個獨立的類星體，命名為Q0957+561 A和B，研究了它們的無線電和可見光光譜，發現它們是相同的。由丹尼斯·沃爾什領導的科學家小組得出結論，這兩個孿生類星體實際上是同一物體，來自它們的光在類星體和地球之間的一個微弱但可探測的星系周圍走了不同的路徑，該星系充當了引力透鏡[R. J. A .蘭伯恩。，2010年，第223頁]。
自1979年以來，天文學家發現，斯坦格引力透鏡可以創造一些怪異和奇妙的表現。
根據歐空局的說法，強引力透鏡化的結果取決于進行透鏡化的物體的形狀。最簡單的引力透鏡發生在單個物體扭曲時空和彎曲光線的時候。
如果引力透鏡是球形的，那么它就產生了所謂的愛因斯坦環，其中單個物體以圓形排列重復出現。如果引力透鏡物體被拉長，例如像一些星系，背景物體被復制成十字形排列，稱為愛因斯坦十字。

歐空局的插圖顯示了不同形狀的引力透鏡產生的不同排列。(圖片來源:歐洲航天局)
ESA補充說，當透鏡物體是不規則形狀或大質量物體的排列時，如星系團，會發生更復雜的引力透鏡現象。在這些情況下，對背景源的影響是扭曲它們的外觀，在圖像上涂抹它們，使它們看起來像弧形，甚至像太妃糖一樣被拉伸。
這種驚人的效果在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)向公眾提供的第一幅圖像中呈現的弧形和漩渦中尤為突出，這是美國總統喬·拜登于2022年7月11日透露的星系團SMACS 0723的深視場圖像。
可以研究這些由充當引力透鏡的星系團產生的涂片，以評估這些星系團內的質量分布。這對天文學家研究星系周圍暗物質的分布特別有用。
盡管暗物質不與電磁輻射相互作用，因此不發射、吸收或反射光，但它確實具有質量，這意味著它扭曲時空并與引力相互作用，就像構成星系可見組成部分的“普通物質”一樣。
這意味著通過觀察由一個星系或一個星系團引起的引力透鏡化的數量，然后將其與聚集中的可見物質(如恒星和熱氣)引起的透鏡化進行比較，天文學家可以確定存在多少不可見的暗物質以及它們是如何分布的。
弱和微引力透鏡
當引力透鏡不足以在宇宙的同一視圖中產生同一物體的多個實例或創建視覺上引人注目的模糊星系時，弱透鏡就會發生。弱透鏡仍然會導致一些扭曲，但這在單個星系上是看不到的，所以真正看到弱透鏡效應的唯一方法是觀察許多星系，并對它們的影響進行平均。
強引力透鏡和弱引力透鏡來自難以置信的大質量物體，如星系或星系團，但更小的物體也可以扭曲時空和轉移光的路徑。引力微透鏡[R. J. A .蘭伯恩。，2010，第225頁]當一個透鏡物體的質量類似于太陽或數倍于我們的恒星時就會發生。
雖然重力微透鏡造成的扭曲可能太細微而無法察覺，但它確實讓物體變亮了。這意味著重力微透鏡可以通過監測被充分研究的恒星的亮度變化來使用。一顆遙遠的恒星在幾天或幾周內變亮，這表明一個致密而黑暗的看不見的物體從這些恒星面前經過，導致它們暫時被透鏡化。
微透鏡已經成為探測黑洞的一種可行方法，黑洞不會從作為其邊界的光捕獲表面(稱為事件視界)以外發射任何光，因此除非它們在周圍的氣體和塵埃中創造動蕩和暴力的條件，使其發光，否則無法看到黑洞。這是因為它們仍然擁有質量，黑洞仍然扭曲空間，因此仍然產生少量的引力透鏡。
JWST和哈勃太空望遠鏡如何利用引力透鏡來回顧過去
當來自遙遠的早期星系的光傳播到地球時，它失去了能量，因此變得更暗。這意味著早期星系非常微弱，即使是人類創造的最強大的設備也看不到。除非他們從一個整個星系團大小的放大鏡那里得到幫助。
哈勃太空望遠鏡已經很好地利用了引力透鏡引起的光的放大，并利用它來研究早期星系的結構。自1990年以來一直在研究宇宙的哈勃，從地球上方的位置，不受地球大氣層的模糊影響，可以看到地基望遠鏡不會看到的引力透鏡早期星系。
這有助于開創性的望遠鏡研究星系的結構，如果不使用引力透鏡，甚至哈勃的新的，更強大的合作伙伴，根據美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)也無法看到。
JWST已經跟隨哈勃的腳步，利用引力透鏡產生了巨大的效果，并在星系團透鏡周圍產生了扭曲和模糊的星系圖像，這種方式會讓抽象畫家薩爾瓦多·達利感到自豪。
自2022年年中上線以來，僅在第一年的運行中，JWST就在哈勃的工作基礎上利用引力透鏡看到了迄今為止已知的最遙遠、也是最早的四個星系。這些星系，JADES-GS-z10–0，JADES-GS-z11–0，JADES-GS-z12–0和JADES-GS-z13–0，存在于138億歲的宇宙大約3.5億歲的時候。
專家解答的引力透鏡常見問題
我們向多倫多大學大衛·鄧拉普天文和天體物理系的博士生陳驍強詢問了一些關于引力透鏡的常見問題。
陳驍強的個人資料
陳驍強是多倫多大學大衛·鄧拉普天文學和天體物理學系的博士生。他專門研究宇宙學、宇宙微波背景、數據建模和分析。
什么是引力透鏡，是什么導致了它？
引力透鏡是指光線被具有很強引力的物體偏轉。我們通常認為光是直線傳播的。例如，你可以看到蠟燭上的火，因為它的光直射到你的眼睛。有時光線的路徑會發生偏轉，我們通常稱之為透鏡效應。在日常生活中，當光從一種介質傳播到另一種密度不同的介質時，我們會看到這種情況。這就是眼鏡的工作原理。引力透鏡也指的是光路的彎曲，但這次是由于引力！就像重力如何影響規則物體的路徑一樣，光線可以被質量非常大的物體偏轉。
引力透鏡什么時候發生？
需要三樣東西！首先，我們需要一個觀察者。這通常是地球上的某個人，或者一架望遠鏡。接下來，我們需要一個鏡頭。同樣，需要非常大的質量才能顯著改變光的路徑，所以這通常是一個星系或星系團。最后，我們需要一個帶透鏡的光源。從觀察者的角度來看，引力透鏡的幾何形狀通常要求光源在透鏡后面。這種特殊的結構意味著我們很少觀察到引力透鏡物體。
天文學家如何利用引力透鏡？
要使光線明顯偏離原來的路徑，需要很大的質量。通常需要一個星系甚至一個星系團的質量。這就是為什么引力透鏡通常只能在宇宙尺度上觀察到。就像放大鏡一樣，透鏡光可以被放大或縮小。如果從遠處射向我們的光被位于其間的大質量星系所透鏡化，那么我們可以利用放大的(因此更亮的)圖像來更詳細地研究它們。我們還可以通過研究透鏡對周圍光線的折射程度來了解透鏡本身的質量。
為什么它對觀察早期星系有用？
光速是一個有限的量，所以光穿越宇宙距離需要時間。早期星系的“回望時間”告訴我們，我們能看到的星系位于非常遙遠的地方。由于它們的表觀大小和亮度，這使得它們很難觀察到，這些遙遠星系的引力透鏡圖像(特別是放大的版本)可以更好地觀察和研究，因為它們比沒有透鏡的對應星系更亮。我喜歡把它想象成我們正在把那些遙遠的星系放在顯微鏡下(當然，這不是實際發生的事情，但想法是相似的)。
引力透鏡和暗物質有什么關系？
暗物質是任何與引力相互作用(就像普通物質一樣)但不直接發射或吸收光的物質。天文學家知道它的存在，因為我們在宇宙尺度上看到了重力的影響，他們觀察到了比可見物質所能解釋的更強的重力效應。同樣的事情也適用于引力透鏡。圖像被引力透鏡放大的程度比透鏡中可見物質所能解釋的要大得多。如果我們將我們在星系中看到的氣體和恒星的質量與我們從引力透鏡推斷的質量進行比較，我們往往會注意到有很多質量是我們看不到的。然后，我們可以推斷出，為了讓我們觀察到這樣的透鏡化程度，透鏡中必須存在多少暗物質。
有不同類型的引力透鏡嗎
是啊！引力透鏡有幾種類型，但它們可以用光路被引力偏轉的相同現象來描述。有時，天文學家區分強透鏡和弱透鏡，這是指光的路徑被偏轉了多少(原始路徑和偏轉路徑之間的角度)。正如我之前所描述的，圖像可以被放大或縮小，但它們也可以被扭曲，天文學家稱之為剪切透鏡。天文學家有時也區分被觀察的光的類型。星系透鏡化通常用可見光來觀察。我們還可以用大爆炸留下的微波光來觀察引力透鏡！
你如何在你的研究中使用引力透鏡？
我研究引力透鏡對大爆炸產生的宇宙背景輻射(也稱為宇宙微波背景或CMB)的影響。這是大爆炸留下的殘余光線，我們幾乎可以從各個方向觀察到它。從某種意義上來說，它是引力透鏡的完美光源，因為這種光來自大爆炸后形成的所有宇宙結構和星系的背后。問題是我們不知道最初的CMB是什么樣子，因為我們只能觀察到有透鏡的版本。我的研究重點是利用我們對引力透鏡如何工作的了解，來解開觀測到的CMB中關于宇宙大質量結構的信息。
額外資源
廣義相對論解釋說，除了引力透鏡效應，質量導致的時空彎曲還會引發其他令人震驚的現象。一個例子是“幀拖動”，其中一個巨大質量的旋轉物體實際上拖動空間和時間。2015年，加州大學伯克利分校的一名天文學家發現，一顆遙遠的超新星被一個巨大的星系透鏡化了四次，形成了一個爆炸的愛因斯坦十字。