Gravitational Lensing: A Natural Cosmic Telescope

引力透镜：天然宇宙望远镜

利用前景质量浓度来放大和扭曲背景物体

爱因斯坦的预测和透镜的概念

引力透镜 是 广义相对论——质量（或能量）使时空弯曲，因此穿过大质量物体附近的光线会沿着弯曲的路径传播。光子不是沿直线传播，而是偏向质量集中的地方。阿尔伯特·爱因斯坦认识到，一个足够大的前景物体可以充当背景光源的“透镜”，类似于光学透镜弯曲和聚焦光线。然而，爱因斯坦最初认为这是一种罕见的现象。现代天文学表明，透镜效应不仅仅是一种奇特的现象，而是一种在整个宇宙中普遍存在的效应，它使我们能够对宇宙的某些方面有独特的见解。 质量分布 （包括暗物质）并放大遥远、暗淡的背景星系或类星体。

透镜现象表现在多个尺度上：

  • 强透镜效应：当对准紧密时，会出现戏剧性的多重图像、弧线或爱因斯坦环。
  • 弱透镜效应：背景星系中的小形状扭曲（剪切），用于统计绘制大尺度结构。
  • 微透镜：前景恒星或致密物体放大背景恒星，露出系外行星或暗恒星残骸。

每种透镜都利用引力弯曲光线来探测大质量结构——星系团， 银河晕，甚至是单个恒星。因此，引力透镜充当了 “天然望远镜” 有时可以对原本无法观测到的遥远宇宙物体进行极端放大。

2.引力透镜的理论基础

2.1 广义相对论中的光偏转

广义相对论告诉我们，光子在弯曲时空中遵循测地线运动。围绕球形质量（例如恒星或星团），弱场近似下的偏转角为：

α≈4GM/(r·c²)，

其中，G 为引力常数，M 为透镜质量，r 为撞击参数，c 为光速。对于大质量星系团或大型星系晕，偏转幅度可达数角秒至数十角秒，足以产生可见的背景星系多重图像。

2.2 透镜方程和角度关系

在透镜几何中， 透镜方程 将图像的观测角位置 (θ) 与光源的真实角位置 (β) 和偏转角 α(θ) 联系起来。根据透镜的对准和质量分布，该方程的解可以产生多个图像、圆弧或环。简单点透镜的“爱因斯坦环半径”为：

θ埃 = √(4GM/c² × DLS/(D左 D秒)),

其中 D左，D秒，DLS 分别是到透镜、到源以及从透镜到源的角直径距离。在更现实的扩展透镜（星系团、椭圆星系）中，人们使用二维质量分布来求解透镜势。

3. 强透镜效应：弧线、环状和多重图像

3.1 爱因斯坦环和多重像

当背景源、透镜和观察者几乎共线时，就会出现一个近乎完美的环，被称为 爱因斯坦环。如果对齐不太精确或质量分布不对称，则会看到 多幅图像 同一背景星系或类星体。经典的例子：

  • 双类星体 通联 0957+561
  • 爱因斯坦十字勋章 （Q2237+030）位于前景星系
  • 阿贝尔 2218 集群透镜中的弧

3.2 集群透镜和巨弧

巨大的星系团是强透镜。它们巨大的引力势能产生巨大的弧线——背景星系的拉长图像——有时还会形成径向弧线或来自不同来源的多组弧线。哈勃太空望远镜揭示了围绕星系团的壮观弧线图像，例如 阿贝尔 1689， MACS J1149等。这些弧线可以产生10倍到100倍的放大倍数，揭示高红移星系的细节。有时会形成“全环”弧或部分弧，用于测量星系团的暗物质分布。

3.3 透镜作为宇宙望远镜

强透镜效应 这使得天文学家能够以比其他方式更高的分辨率或亮度研究遥远的星系。例如，一个位于 z 的暗淡星系 > 2 可能被前景星团放大到足以进行详细的光谱或形态分析。这“自然望远镜”效应导致了极高红移星系中恒星形成区域、金属度或形态特征的发现，弥补了星系演化研究中的观测空白。

4. 弱透镜效应：宇宙剪切和质量映射

4.1 背景星系中的微小扭曲

在 弱透镜，偏转很小，因此背景星系的形状看起来略有剪切。通过对大片天空区域中许多星系的形状进行平均，人们可以从统计学上检测到追踪前景质量分布的相干剪切模式。单个星系的形状噪声很大，但将一个区域中数十万甚至数百万个星系组合起来，可以揭示出 剪切场 在~1%的水平。

4.2 星团弱透镜效应

通过分析团簇中心周围的平均切向剪切力，可以测量团簇质量和质量分布。该方法不依赖于动态平衡或X射线气体物理学的假设，因此可以直接探测 暗物质 晕。观测证实，星团所含的质量比单独的发光物质要大得多，凸显了暗物质的主导地位。

4.3 宇宙剪切巡天

宇宙剪切——物质沿视线分布引起的大规模弱透镜效应——为结构生长和几何形状提供了强有力的测量手段。像 CFHTLenS， 数据加密标准 （暗能量调查）， 孩子们以及即将推出的 欧几里得 和 罗马 测量数千平方度的宇宙剪切，限制物质波动的幅度（σ8), 物质密度 (Ω米）、暗能量等。这些宇宙剪切分析可以交叉检验CMB衍生的参数，并寻找新的物理学。

5. 微透镜：恒星或行星尺度

5.1 点质量透镜

当一个致密物体（恒星、黑洞、系外行星）充当背景恒星的透镜时，这种排列会导致 微透镜当透镜从前方经过时，背景恒星会变亮，形成特征性的光变曲线。由于爱因斯坦环的尺度较小，因此无法分辨出多重图像，但总通量会发生变化，有时变化幅度很大。

5.2 探测系外行星

微引力透镜对透镜恒星的行星伴星尤其敏感。透镜光变曲线中的微小异常表明存在质量比约为1:1,000或更小的行星。OGLE、MOA和KMTNet等巡天项目已经发现了其他方法无法观测到的宽轨道或暗弱/核球恒星周围的系外行星。微引力透镜还能探测恒星残骸黑洞或银河系中的流氓天体。

6. 科学应用及亮点

6.1 星系和星系团的质量分布

透镜效应（强透镜和弱透镜） 二维质量图 镜头，可直接测量 暗物质 晕。对于像 子弹集群透镜效应揭示了碰撞后暗物质分布如何与重子气体发生偏移——这有力地证明了暗物质的无碰撞性质。星系间透镜效应将微弱的透镜信号叠加到许多星系周围，从而得出平均晕轮廓，该轮廓与光度或星系类型有关。

6.2 暗能量与膨胀

结合透镜几何（e.g（例如，星团强透镜弧或宇宙剪切层析成像）与距离-红移关系可以约束宇宙膨胀，尤其是在分析多重红移的透镜效应时。例如，多重成像类星体系统中的时间延迟透镜可以估算H0 如果透镜质量模型已知的话。“H0LiCOW”合作项目利用类星体时间延迟来测量 H0 接近~73 km/s/Mpc，属于“哈勃张力”争论的一部分。

6.3 遥远宇宙的放大

星团的强透镜效应提供了 放大 遥远星系的探测，有效降低了探测阈值。这种方法已经能够探测到极高红移星系（z > 6–10），对它们进行详细研究，而这在目前的望远镜下是不可能实现的。例如 边疆领域 该计划利用哈勃望远镜作为引力望远镜观测六个大质量星团，发现了数百个暗淡的透镜源。

7. 未来方向和即将开展的任务

7.1 地面勘测

调查结果如下 LSST （现为 Vera C. Rubin 天文台）将测量超过约 18,000 度的宇宙剪切力2 达到前所未有的深度，产生数十亿个星系形状，用于进行稳健的透镜分析。同时，多波长设施的专用星团透镜项目将改进数千个星团的质量测量，以研究大尺度结构和暗物质特性。

7.2 太空任务：欧几里得和罗曼

欧几里得 和 罗马 望远镜将在太空中进行广域红外成像和光谱分析，从而能够在大气畸变最小的情况下，在广阔的天空区域实现高分辨率弱透镜效应。这可以精确地将宇宙剪切映射到z ∼ 2，将透镜信号直接与宇宙膨胀、物质增长和中微子质量约束联系起来。它们与地面光谱巡天的协同作用（德西等）对于校准光度红移、解锁强大的 3D 透镜断层扫描至关重要。

7.3 下一代星团和强透镜研究

正在运行的哈勃望远镜、未来的詹姆斯·韦伯望远镜以及地面30米级望远镜将更详细地研究强透镜星系，并可能在宇宙黎明时识别单个星团或恒星形成区域。新的计算算法（机器学习）正在开发中，用于快速识别大质量成像目录中的强透镜事件，进一步扩展引力透镜的样本。

8. 剩余的挑战和前景

8.1 质量建模系统

对于强透镜效应，透镜质量分布的不确定性可能会影响精确距离或哈勃常数的推论。对于弱透镜效应，形状测量系统和光度红移误差是持续存在的挑战。为了充分利用透镜数据进行精确宇宙学研究，需要进行仔细的校准和先进的建模。

8.2 寻找奇异的物理学

引力透镜可能会揭示奇异的现象： 暗物质亚结构 在光晕中，限制 自相互作用暗物质或检测 原始黑洞. 镜头也测试 修正重力 如果透镜星团的质量分布与ΛCDM不一致，则理论将面临挑战。到目前为止，标准ΛCDM仍然稳健，但先进的透镜分析可能会发现指向新物理的微小异常。

8.3 哈勃张力透镜和延时透镜

时间延迟透镜测量不同类星体图像到达时间的差异，直接测量 H0一些团体发现更高的H0 这些值与局部距离阶梯法的结果一致，加剧了“哈勃张力”。透镜质量模型、活动星系核监测以及向更多系统的扩展的持续改进旨在减少系统性的不确定性，从而有可能解决或证实这种张力。

9. 结论

引力透镜—前景物体对光线的偏转—作为 天然宇宙望远镜，提供了测量质量分布（包括暗物质）和放大遥远背景源的罕见协同作用。从 强透镜 围绕大质量星团或星系的弧线和环， 弱透镜 宇宙剪切穿过巨大的天空区域， 微透镜 随着发现系外行星或致密天体的事件的发生，透镜方法已成为现代天体物理学和宇宙学的核心。

通过研究光如何弯曲，科学家们绘制了 暗物质 用最少的假设来测量光晕的振幅 大型结构 增长，并完善宇宙膨胀参数——特别是通过 重子声学振荡 交叉检查或延时距离测量 哈勃常数. 展望未来，主要的新调查（鲁宾天文台， 欧几里得， 罗马（先进的21厘米阵列）将扩展和深化引力透镜数据集，有可能揭示小尺度暗物质的性质，阐明暗能量的演化，甚至发现新的引力现象。因此，引力透镜处于 精密宇宙学，将广义相对论的理论预测与揭示不可见的宇宙框架和遥远宇宙的观察探索联系起来。

参考文献及延伸阅读

  1. 爱因斯坦，A.（1936）。 “恒星因引力场中光线的偏转而产生的类似透镜的作用。” 科学， 84，506–507。
  2. Zwicky，F.（1937 年）。 “关于探测充当引力透镜的星云的概率。” 物理评论， 51，679。
  3. Clowe，D.，等人（2006）。 “暗物质存在的直接经验证明。” 天体物理学杂志快报， 648，L109–L113。
  4. Bartelmann，M.， & Schneider，P.（2001）。 “弱引力透镜效应。” 物理报告， 340，291–472。
  5. Treu，T.（2010 年）。 “星系的强透镜效应。” 天文学和天体物理学年度评论， 四十八，87–125。

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