宇宙的望远镜—重力透镜.PDF

宇宙的望遠鏡—重力透鏡 事實證明：愛因斯坦是對的！有了它，我們可以看得更遠。 殘留的日光在地平線上消失盡，夜開始照亮了夜。 蛙鳴蟬聲狂熱地演奏練習曲，他夏了夏天。 圓頂慢慢甦醒，睜開眼睛，凝視著包圍整座城市的小星星。 黑夜變成紙，星星變成字，望遠鏡描繪出宇宙的樣子， 星系動物園（Galaxy Zoo ）裡處處是驚喜。 夏日赤緯66 度的天空，我們在這稍作停留。在比黑暗更深的夜裡，出現許 多長相怪異的動物：像風車、像墨西哥帽、像車輪、像老鼠…身材是圓形、橢圓 形、或是長條狀。天文學家給它們一個名字：｢星系｣。有的星系是成群出現，天 文學家統稱它為｢星系團｣。 當我們觀察遙遠的星系或星系團時，竟發現有些星系周圍出現一條細長、弧 狀的東西？（如圖一箭頭所示）依照我們對天文的認識，沒有一個天體的形狀是 如此的詭異。如果它是星系與星系互相碰撞下的產物，在星系周圍應該找到一些 相關線索，可是我們卻沒發現。星系之間發生了什麼變化而產生這個東西？ 圖一、J033238-275653 重力透鏡影像（Credit ：NASA, ESA, J. Blakeslee and H. Ford ） 第1 頁    重力透鏡的原理 記得國小有一堂自然課是要學生拿著放大鏡去觀察物體。任意變換被觀察物 體、放大鏡、眼睛三者不同距離，我們所看到的物體影像就會不同。有的時候成 像會放大，有的時候則會縮小；有的時候成像是正立的，有的時候則是倒立的。 若我們把放大鏡逐漸靠近眼睛，會發現裡面的成像逐漸放大、模糊，甚至產生扭 曲。在圖一的星系旁所看到扭曲的影像，就是類似這個原理。 ｢可是星系前面沒有放大鏡啊？｣原來星系旁邊出現了類似放大鏡的東西— 那就是重力。在宇宙大尺度結構中，愛因斯坦認為，時間跟空間是連續的，統稱 為｢時空｣。時空若受到強大重力影響，就產生扭曲。 時空扭曲究竟是甚麼樣子？可以用下面的例子作說明：在家裡的床墊中央放 了一顆很重的大鐵球。把床墊想像成時空，而大鐵球就是那個大質量物體。鐵球 在床墊上產生的凹陷，就是時空扭曲。如果鐵球的質量越大、體積越小，所造成 的床墊凹陷程度就越明顯—如果你沒有還被媽媽罵的話。我們在床墊的一端滾動 一顆小球，小球會依照牛頓第一運動定律往床墊的另一端滾去。由於鐵球在床墊 上造成向下凹陷的斜坡，當小球滾到凹洞附近時，會因為受到一個往下運動的分 力而轉彎。這就是時空扭曲後重力場的變化。幸運一點，小球經過凹洞時，沒有 太靠近鐵球，僅運動路徑改變，轉個彎，依然往床墊的另一端滾去。若很不幸地， 小球滾過凹洞時太靠近鐵球了，則小球就掉進洞裡，再也出不來了。 1915 年 11 月25 日，愛因斯坦寫下重力場方程式，他把時空扭曲歸咎於大 質量物體產生的重力場。牛頓告訴我們，任何有質量的物體都會有其重力場。而 愛因斯坦更進一步說明，重力場會扭曲該物體周遭的時空，不同時空曲率下物體 的運動軌跡不再是直線，而是曲線。在方程式裡，重力的本質是時空曲率的表現。 約翰‧惠勒（John Wheeler ，1911—2008 ）曾說：｢愛因斯坦的重力幾何理論可以 這樣概述：時空告訴物體如何運動，物體告訴時空如何彎曲。｣ 1916 年，愛因斯坦發表廣義相對論，說明遠方星球發出的光線抵達地球的 過程中，如果經過一個大質量天體，光線行進方向會受到該天體的強大重力場影 響而發生偏折。在圖二中，光是直線前進，一顆恆星通過遠方恆星與觀察者之間， 前景恆星本身的重力會影響遠方恆星與觀察者之間的時空。從觀察者的視線看 去，發現這顆遙遠恆星的亮度會比先前觀察的亮且大，就像我們拿著放大鏡去看 物體，在適當距離下，發現被觀察物體的成像被聚焦放大。後人引用透鏡成像原 理，把這種受到重力而成像的現象叫作｢重力透鏡｣（gravitational lensing ）效應。 當前景恆星離開後，遠方恆星的亮度就回到事件發生前的亮度。重力透鏡效應不 只放大遙遠天體的影像，還可以讓我們看到遙遠天體的多個相同影像。在圖三的 第2 頁    三維示意圖裡，中間的大質量天體偏折遙遠天體的光線甚巨，從我們方向看去， 誤認有數個相同亮度的天體圍繞著中間的大質量天體，其實他們都來自於同一天 體的光。 圖二、重力透鏡示意圖（Credit ： /courses/astrotoday/CHAISSON/AT323/HTML/AT32306.HT M ）