引力透镜——看不到的暗物质和看得到的时空弯曲

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暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，非常难以探测。但通过引力透镜效应，科学家得以对之进行研究。

那么什么是引力透镜？引力透镜在暗物质研究中有何作用呢？

星系运动、结构模拟和宇宙微波背景中的温度波动为暗物质的存在提供了三种相互独立的证据，越来越多的物理学家和天文学家开始试图了解暗物质的成分及其在宇宙中的分布。引力透镜（gravitational lensing）是探究暗物质的“利器”。

类星体、透镜和暗物质

受星系引力透镜效应影响的类星体的图像为研究“透镜星系”内暗物质的分布提供了线索。类星体是发出大量光线和其它辐射的遥远物体。我们可以看到很多星系“背后”的类星体，这意味着类星体发出的光线必须穿过隔在中间的星系、到达我们所在的位置。广义相对论告诉我们，任何星系中的物质，不论是普通物质还是暗物质，都会使时空弯曲。这种弯曲使其光线穿过星系的类星体的图像发生“扭曲”。

图片来源：NASA/ESA Hubble Space Telescope, NASA/Goddard Space Flight Center.

如左上图所示，当一个遥远物体（Quasar/类星体）发出的光线经过大型天体（Massive Galaxy/大型星系）射向地球上的望远镜时，大型天体的引力效应会使光线路径发生弯折。受引力透镜效应影响的物体将会“扭曲”甚至会呈现出不同的图像（Image of Quasar/类星体成像）。右上图展示了哈勃太空望远镜捕捉到的图像，四个不同的亮点实际上是同一个类星体的图像。散开的中心点是距离地球更近的星系，这个透镜星系使类星体发出的光线发生弯折，导致类星体看似同时出现在四个地点。

在很多情况下，这种透镜效应会使望远镜中出现几张同一个类星体的图像。通过测量该类星体不同图像的亮度，可以获得了解透镜星系内部物质分布情况的线索。透镜星系每个部分的物质对该部分发生的时空弯曲起决定作用，因此这些图像的亮度能够揭示普通物质和暗物质的分布情况。天文学家通过光学测量了解普通物质的位置，通过多张类星体图像的亮度追踪暗物质。随着望远镜灵敏度逐步提升，科学家将发现更多透镜星系，获得更多关于暗物质分布的线索。

小贴士：

透镜星系的物质的质量越大，我们所看到的星体的像就会离星体实际位置越远，依据这个效应，我们可以推算出物质的分布。这其实就是力学测量的一种方法。

来自碰撞星系团的证据

另一种探究暗物质的有效方式是观测碰撞的星系团。当两个星系团发生碰撞时，一个星系团中的暗物质在穿过另一个星系团时，不会与暗物质或普通物质发生相互作用。但普通物质则会与另一个星系团中的暗物质和普通物质以及本星系团中的暗物质发生相互作用。碰撞过程中，普通物质被本星系团中的暗物质向前拉伸，被另一个星系团中的暗物质和普通物质向后拉伸。各种拉伸叠加后的结果是，每个星系团中的普通物质将被该星系团中的暗物质“甩在后面”。

小贴士：

两个星系团先是碰撞，接着远离。在远离时，普通物质因为有电磁相互作用，可以被通俗得理解成“黏度较大”的物质，所以在远离的时候，速度较低。而暗物质没有电磁相互作用，所以远离速度比较快。经过一段时间演化后，普通物质就和暗物质分开了。

天文学家通过两种方式（星系团发出的可见光和X射线）获取了一对碰撞星系团的图像（这对星系团被命名为“子弹星系团”），为验证上述假设提供了确凿证据。每个子星系团中普通物质的碰撞使普通物质升温，使碰撞中的一对子星系团发出X射线。钱德拉X射线天文台于2004年捕捉到一张子弹星系团的X射线照片，锁定了普通物质在两个子星系团中的位置。与此同时，整个子弹星系团会通过引力透镜效应使位于它后面的星系的图像发生扭曲（对引力透镜效应的介绍参见上文关于类星体的描述）。通过测量背景中被扭曲的星系的形状，天文学家能够确定每个子星系团的位置和质量。星系团中的暗物质数量是普通物质的数倍，因此透镜测量能够锁定暗物质的位置，而X射线能够定位普通物质。用两次测量结果合成的图像显示，暗物质在两个子星系团中均“领跑”普通物质，从而验证了推测。

子弹星系团的X射线和可见光图像为暗物质的存在提供了强有力的证据。

上图所示的子弹星系团图像是由钱德拉X射线天文台拍摄的X射线图像和哈勃空间望远镜拍摄的可见光图像合成的。粉色的团是X射线图中的热气体，包含两个碰撞星系团中大部分的普通重子物质。蓝色区域依据对光学图像中的引力透镜的测量，标出了两个星系团物质集中的区域。蓝色和粉色区域分界明显，证明两个星系团中的大部分物质是暗物质。

小贴士：

这同时也是暗物质存在的证据，因为通过X射线所观测到的普通物质分布的区域，与引力透镜效应所测量到的主要物质分布的区域，几乎没有重合，所以进一步证明了暗物质的存在。

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