如何分辨宇宙中的光线是否被引力弯曲？ 第1页

这个问题非常有趣。

答案要说起来也很简单：宇宙中的所有光线都被引力弯曲了。

为什么呢？ 因为引力是长程力，不会因为远离物体而消失。而宇宙中充满物质，这些物质在大尺度上分布趋向均匀，在小尺度上分布却并不均匀。所以几乎所有的光线的行进路线，都会或多或少的被引力扭曲。这种效应就是引力透镜。

上图显示了光线在经过引力场时发生弯折

下图是一张天文观测中引力透镜效应的示意图。长方体内的红色纤维结构代表了宇宙中的物质分布。左端蓝色的三个椭圆代表了宇宙深处的星系。它们发出的光线在宇宙中穿行。受到引力透镜作用，黄色的光线路径蜿蜒曲折，最终在长方体右端被观察到。相比原初的图像，星系的大小和形状都发生了改变。

Credit: CFHT team

引力透镜效应无处不在，但是大多数情况下，这种弯曲非常轻微。在弱引力透镜效应近似下（绝大多数情况下），引力透镜效应只改变背景的大小和椭率。对绝大多数星系来说，这种改变很微小。星系的平均椭率为0.3左右，但是引力透镜效应造成的椭率改变，一般在~0.001。

正常情况下，我们知道星系的形状和原来不太一样了，但是也没有太大关系。这种改变对多数研究不会造成影响。但是对于宇宙极远处的星系。引力透镜效应可能会带来一些影响。例如，引力透镜效应会让星系亮度增加。 在大质量天体附近，引力透镜效果比较强，这样宇宙极远处一些本来应该看不到的星系变得可以被观测到了。在这个意义上，引力透镜效应好像一个天然的望远镜，帮助我们探查到宇宙的深处。但同时，天文学家也要小心，在计算这些星系的数密度的时候，必须考虑引力透镜效应改正。

虽然在弱引力透镜情况下，我们一般无法分辨单个星系被引力透镜改变的程度。但是统计上，我们可以通过平均一定区域内的星系形状，来研究引力透镜效应。

如上图所示，如果没有引力透镜效应，在一块天区内，宇宙远处的星系形状，应该是随机排布的（因为它们相互之间距离非常远，应该没有什么联系）。如果这些星系前方存在一个引力源（比如星系团），它的引力场使得背景星系的形状不再随机排布。如果精确统计这些背景星系的形状，就可以知道前景星系团的物质分布。如下图中展示了一个星系团，白色的阴影，就是通过引力透镜效应计算出的星系团物质分布。

所以，引力透镜效应非常的有用，可以帮助我们绘制宇宙中物质分布的地图。

好了，让我们再回到问题。如何分辨被弯曲的光线。

虽然大多数情况下，引力透镜效应太弱了，无法被肉眼察觉。但也有一些情况下，因为前景的引力场很强（比如星系团中心）。背景天体的形状会被强烈的改变。比如下图的星系团中，左上角的蓝色长弧，其实是一个背景星系的像被前景的星系团剧烈的扭曲了。

再比如下图中，背景星系和前景星系恰好都在观测视线方向上。背景星系的图像变成了一个环。

再比如，如果前景天体是一个星系，背景天体是一个类星体，当两者在视线方向上重合时，类星体会产生多个像

为什么会产生多个像？远处天体发向不同方向的光线，被引力场汇聚到观测者，观测者因此在多个方向上看到了远处天体发出的光。

左边中间的天体是真实的天体位置，但是因为引力透镜效应，地球上的观测者，看到的光线从两个不同的方向来到。在观测者看来，天上有两个像（左边上下的两个黄色圆）。

但是天体物理所谓的“强引力透镜效应”观测中，引力场对光线的改变其实还是很弱的。

光线的偏折，仍然可以用一个被称作弱场近似的公式计算。那么什么样的引力透镜效应才算是真正的强呢？这个效应大家其实已经见到过，就是《星际穿越》中，黑洞卡刚都亚周围的景象。

这这种情况下，光线的路径离黑洞的史瓦西半径非常近，很多光线在绕黑洞转了很多圈后才进入观测者的眼中。黑洞背后的一颗星，可能会成十几个像。可惜我们离所有的黑洞都太远了，无法看到这样宏伟的景象。