寻找戴森球：引力透镜与地外文明

引力透镜效应是广义相对论的基本预言之一。光线在宇宙中是沿着时空的测地线传播的，而大质量天体会导致其周围时空的弯曲，所以当光线经过大质量天体的周围时，弯曲的测地线会导致光线的弯曲，发生偏折。光线的弯曲被称作透镜效应，这里光线的弯曲是由于引力导致的，所以这个现象被称作引力透镜效应。如果背景的源天体是延展的星系，其典型的观测特征呈现为弧状甚至圆环状，是最引人注目的天体物理系统之一。

除了看起来漂亮，引力透镜在天体物理学中也有着广泛的应用：

1）引力透镜对质量分布的高度敏感性，可以被用于研究透镜天体的质量分布；

2）引力透镜反映出的光线路径的几何性质，可以被用于研究宇宙的尺度变化；

3）引力透镜对源天体的放大效应，可以被用于探测常规情况无法探测的精细结构；

上面这三个方面正好可对应暗物质、暗能量、天体和生命起源等重大科学问题。尤其是引力透镜的放大效应可被用作天然的望远镜来发现更暗、更小、更远的天体，这将给系外行星乃至地外文明搜寻的相关研究带来重大机遇。下面我将举三个有趣的例子介绍一下引力透镜在地外文明搜寻研究上的可能应用。

图1：引力透镜原理示意图。背景源天体（图中的星系-galaxy）发射出的光线由于前景透镜天体（图中的星系团-galaxy cluster）导致的时空弯曲而偏折（弯曲的光线-distorted ligh-rays，图中橘色线表示），从而产生被拉伸的巨弧状结构。图片来源：NASA/ESA

图2：强引力透镜观测示例。弧状结构为遥远源星系被前景的引力透镜系统作用后产生的强引力透镜图像。图片来源Prof. Michael Gladders。

图3：强引力透镜应用示例。强引力透镜可以用作测量质量分布（右），测量视向距离（左上），放大源天体的精细结构（左下）。图片修改自NASA/ESA提供的图片素材。

【把太阳变成一个大望远镜】

考虑到太阳是人类历史上第一次观测到引力透镜的天体，是广义相对论的最重要证据之一，因此大家自然地会想到：如何先把太阳变成一个巨型望远镜。虽说这是个复杂的任务，但把太阳变成望远镜应该也可以简化为三步：选择目标，去哪观测，完成观测。

首先，假设以比邻星的行星为目标，先计算出太阳作为引力透镜的焦点线。这里值得注意的是，引力透镜和普通的凸透镜不一样，凸透镜只有一个焦点，但由于太阳引力透镜产生的光线偏转角与引力场的强弱正相关，因此其与光线到太阳中心的投影距离成反比，因此太阳引力透镜的焦点是一个射线，这一射线的起点距离太阳~ 550个天文单位（AU），大约是太阳到冥王星的11倍。

其次，把人造望远镜送到焦线上。理论上讲，在太阳引力透镜焦线上越远，被太阳引力透镜放大的图像距离太阳本身越远，太阳对其的光污染越少，但以人类目前的航天技术，将观测用的望远镜送至焦线的最近点也就是起点的位置至少需要20~30年。科学家预言，如果想完全覆盖成像区需要建设一个数十公里口径的人造太空望远镜，这显然是不可能的，所以妥协的方案是向目的地发送一系列口径1米的望远镜。

最后，对被引力透镜放大的比邻星的行星图像进行观测以及图像重构。此处，为了获得信噪比大于10的信号，并且需要规避太阳的光污染，科学家预言大约需要曝光几个月到一年的时间可以分辨出四光年外的比邻星旁的行星上的大于10公里的山脉。而如果没有太阳引力透镜，这颗行星看起来就是一个没有任何结构的亮点。

以上想法听起来非常天马行空，然而Slava G. Turyshe博士领导的团队在此方面已经发表相关论文10余篇，相关研究也得到了NASA的NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) 科研基金的资助。

图4：太阳强引力透镜光线路径示意图（Exo star and planet：太阳系外恒星和行星；Sun：太阳；Small sat clusters：用于接收焦点处信号的卫星小望远镜群，最终会被发射到焦点处，也就是图中标注的爱因斯坦环处；550AU：550倍日地距离；Einstein ring：太阳系外恒星和行星受太阳引力透镜作用后形成的爱因斯坦环的可观测位置）。图片来源： Universe Today。

【搜寻银河系外的类地行星】

目前绝大部分的系外行星都是银河系内的，而在河外星系中，由于距离过于遥远，连分辨单个恒星都是极其困难的，更不要说河外星系中的行星了。有科学家根据活动星系核的光变曲线的形状预言此光变是由运动的河外星系中的行星遮挡造成的，但还需更多证据对这一结论进行交叉认证。

引力透镜的放大效应为研究河外行星提供了一种可能。例如，星系团强透镜系统中找到了被强透镜放大的红移大约6的恒星，对应放大率可达1000的量级，理论上可将18等星增亮到10~11等，这样就可以使用光变法或视向速度法来研究其周围的行星的性质。

人们可能会问，这样的系统会不会太少了？科学家们发现，在明亮的被高度放大的强透镜化的星系图像中发现被放大恒星的概率还是比较高的。例如，著名的宇宙之龙强透镜化的星系图像中发现了几十颗此类恒星的候选体。所以，如果在低红移强透镜星系团中寻找明亮的强透镜巨弧，然后在其中搜寻被极端放大的恒星，是有机会找到满足需求的候选体的。不过，具体概率是多少还需要详细计算。进一步，还有另一个开放的科学问题：椭圆星系和漩涡星系，哪类星系中类地行星存在的概率会更高？这些问题都有待科学家们进行深入研究。

图5：被强引力透镜放大后的恒星。左图：一颗红移在6.2的恒星，被星系团强引力透镜放大了约1000倍。左上图是左下图方框区域的放大。左上图中，被强引力透镜放大的恒星在被标作Earendel的红点处。右图：在红移为0.725的一个星系中观测到40余颗被强透镜放大的恒星的图像。这个星系是被一个星系团强引力透镜放大的。右上图是哈勃太空望远镜观测到的图像，右下的两幅图是不同时间观测到的图像，两个图像的差别反应的是被引力透镜放大的恒星的光变，图中标注的『十字型』是光变恒星的位置。图片来源：引文[5][6]。

除了放大效应，引力透镜还可以用于研究透镜天体的质量分布。在各种引力透镜现象中，微引力透镜是指光线通过透镜体后发生的偏转角在微角秒量级的引力透镜事件。典型的微引力透镜系统以恒星为透镜和源天体，透镜天体和源天体的相对运动会导致背景源天体的光变符合一个特定的模式。作为透镜的恒星周围的行星会让光变曲线有一个更尖锐的光变，这让微引力透镜成为探测系外行星的重要手段。但这里的例子与传统的微引力透镜探测系外行星不同，属于开脑洞的猜想。

戴森球（Dyson Sphere）是由美国物理学家弗里曼·戴森提出的包裹恒星的巨大球形结构，通过包裹恒星来收集恒星能源，是高等文明为了充分收集恒星能量而围绕恒星建造的星光收集设备。戴森球的建成会导致此恒星的光度急剧下降，但是其质量并没有变化，因此如果在一个微引力透镜系统中观测不到透镜天体，但对其进行光变分析得出透镜天体确实是典型恒星质量的天体，那么透镜天体有可能就是一个戴森球。当然，透镜天体也可能是恒星质量的致密天体，不过可以通过光谱或者其他波段的观测来区分戴森球和致密天体。如果发现了戴森球，那将是地外高等文明存在的决定性证据。另一方面，如果完全找不到戴森球，这个结果也可以用于限制德雷克公式（由美国天文学家法兰克·德雷克（Frank Drake）于1960年代提出的用来推测“人类能接触的银河系内外形文明的数量”之公式）的相关参数来预言银河系内高等文明的个数。相关研究尚属概念讨论阶段，感兴趣的读者可以自己了解一下这方面的文献。

图6：戴森球和弱引力透镜示意图。左图为弱引力透镜光变原理图（star：恒星；Light：光；MACHO：致密大质量暗天体；Microlensing：微引力透镜；Earth：地球；Brightness of Star：恒星的亮度；Time：时间），右图为戴森球示意图。图片来源：左Nature，右Aicrovision。

引力透镜是广义相对论的基本预言之一，而地外文明搜寻是最重要的科学问题之一，也是公众最关心的话题之一。将这两个名词联系起来也许有些意料之外，但也在情理之中，因为虽然引力透镜不会直接告诉我们“地外文明是如何形成和发展的”，但可以作为工具帮助人类“去寻找宇宙中的地外文明”。读者们可以继续开脑洞想想引力透镜是否可能以其他意想不到的方式帮助人类研究地外文明？期待你大胆假设给出的想法，也期待你小心求证得到的结论。

参考文献

1.https://mathworld.net.cn/Geodesic.html

2. Dyson et. al., Philos. Trans. R. Soc. A, 220291–333 (1919). http://doi.org/10.1098/rsta.1920.0009

3.Friedman et. al., Exp Astron 57, 1 (2024). https://doi.org/10.1007/s10686-024-09919-x

4. Di Stefano et al., Nat Astron 5, 1297–1307 (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01495-w

5. Welch et. al., Nature 603, 815–818 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04449-y

6. Fudamoto et. al., Nat Astron 9, 428–437 (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02432-3

7. Mao Shude, Res. Astron. Astrophys. 12, 947 (2012) https://doi.org/10.1088/1674-4527/12/8/005

8. Westby & Conselice, ApJ 896, 58 (2020) https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab8225Suazo et. al, MNRAS 512, 2, 2988–3000 (2022) https://doi.org/10.1093/mnras/stac280

来源：中国科学院国家天文台

原标题：引力透镜与地外文明

编辑：辣条

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