超越！比哈勃望遠鏡更強：引力才是最好的望遠鏡

2023-04-01 04:40:09 1

比哈勃望遠鏡更強的望遠鏡:重力

如果你想看到宇宙中更遠的物體，你需要收集更多的光。就像燈泡或蠟燭離你越遠越暗，恆星和星系也一樣。恆星和星系越遠，就越難發現和觀察它們。在天文學中，你發現和研究恆星的能力完全取決於你能從中收集到多少光子。

圖1顯示了智利帕瑞那天文臺的超大型望遠鏡，該望遠鏡由四個直徑相同的8.2米望遠鏡組成，其聚光能力相當於一個直徑為16米的望遠鏡。圖2顯示直徑為2.4米的哈勃望遠鏡空。圖3是直徑為8m的望遠鏡的解析度極限；圖4顯示了一個巨大的直徑為100米的望遠鏡。

因此，要麼建造一個更大的望遠鏡來提高你收集光線的能力，要麼長時間觀察你的目標物體來增加你收集的光線總量。

當然，你也可以提高你的光收集效率，比如設置望遠鏡太空(這樣你就不會被大氣幹擾)或者安裝極其複雜的光學自適應系統(這樣你就可以減少噪音並使每個光子都有用)，但最終，你仍然受限於你能收集多少光。

然而，如果有一種方法可以放大超遠距離目標並照亮它們發出的光，而不需要建造更大、更昂貴的望遠鏡，也不需要將所有的觀察時間都花在同一個目標上，那又會怎樣呢？巧合的是，愛因斯坦的廣義相對論已經準確預測了這種可能的現象:引力透鏡效應。

說明了引力透鏡的原理。當一個天體發出的光穿過一個巨大的天體時，光會彎曲並像放大鏡一樣會聚。

如果你對廣義相對論一無所知，那麼我可以把科學傳播給你:它的中心思想是空和時間之間的空間不是獨立的，而是一個單一的、連續的、不可分割的結構，我們稱之為時間空，每個粒子在這個時間空內傳播，物質和能量的存在扭曲了時間空的結構。20世紀30年代，弗裡茨·茲維基意識到，如果在太空的某個地方有一個質量足夠大的物體，比如一個超大質量的星系或一群星系，它可能會對它後面的物體起到一個奇怪的放大鏡的作用:我們稱之為引力透鏡現象。

展示了哈勃望遠鏡拍攝的一個星系團。中間四個明亮的星系周圍有一個奇怪的藍色結構。這是由這個星系團對更遠的星系的引力扭曲造成的。

根據背景和前景光源的方向，重力鏡頭可以有多種行為:

當光路向不同方向彎曲時，引力透鏡可以產生同一星系的多幅圖像。

重力透鏡會導致圖像失真，形成光弧、橢圓形和圖像「拉伸」

如果光路完全對齊，引力透鏡會造成嚴重的扭曲，這樣背景物體就可以被拉伸成一個完整或接近完整的圓，稱為愛因斯坦環。

但是所有這些情況都有一個共同點:重力透鏡後面的物體會被放大，當我們多次觀察它時，它的亮度會增加。

正是這種技術使我們能夠找到最遠的類星體和星系，包括迄今為止發現的最遠的物體。接下來，讓我們結合所有的優勢:建造儘可能大的望遠鏡來收集儘可能多的光線，延長觀察時間，並使用重力透鏡來觀察位於重力透鏡後面的遙遠天體，這樣我們就可以探測到比任何其他技術都要遙遠的宇宙。我們就是這樣發現了迄今為止最遙遠的星系:EGSY8p7，目前的記錄保持者。如果沒有引力透鏡，它就不能被探測到。

插圖星系EGSY8p7

儘管第一個引力透鏡現象直到理論提出後40年才被發現，但它是觀察遙遠(前景)星系和發現超遙遠(背景)星系的一種非常有效的方法。雖然這不是我們能控制的技術——宇宙在那裡放置了引力透鏡，我們唯一能做的就是觀察——那裡有大量的物質，只要我們使用合適的波長和合適的工具觀察更長的時間，我們就能在宇宙中找到更遠的物體。