透镜里的宇宙.DOC

透镜里的宇宙 　　罗马不是一天造成的，宇宙也不是。我们看到的早期宇宙，也许很大程度上是引力透镜夸大和扭曲后的样子。 这里的透镜不是指光学望远镜的镜头，而是爱因斯坦的“引力透镜”。光线经过大质量天体附近时，会发生弯曲，1919年爱丁顿就是在日食时观察太阳对星光的这种偏转作用，为广义相对论提供了实验证据。想象一下在我们和某遥远天体间的直线上存在一个星系（或者星团、黑洞或随便什么质量巨大的东西），遥远天体发出的光被这个星系弯折、会聚后到达地球，在我们看来，这个遥远天体就被“放大”了，也更明亮了。这种效果与普通的玻璃或塑料透镜是一样的，因此可以把该星系看作一个“引力透镜”。 引力透镜：一个遥远类星体发出的光芒，经中间星系的弯折到达地球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。天文学家对引力透镜已经相当熟悉，甚至把它们当作真正的透镜来用，试图通过这种“引力望远镜”看到更远的地方。当然引力透镜不像光学玻璃可以精心打磨，也不能仔细调整安装位置，所以就别挑剔成像的质量——更何况引力透镜现象是非常稀罕的。宇宙如此广大，地球、引力透镜、观测对象恰好三点一线的概率，实在是太小了。从地球上观察邻近星系的恒星，大概一百万颗里只有一颗会明显地被引力透镜放大。对于离我们非常非常远的类星体，这一比例通常被认为是千分之几。 哈勃望远镜拍到的照片。图中几个蓝色的椭圆圈，是同一个幼年星系在橙色星系团的引力透镜作用下形成的多个虚像。　(c)NASA/HST类星体是一种古怪的天体。它们在光学底片上的像与恒星非常相像，因此早先被当作普通的暗弱恒星。后来的观测表明它们的红移很大，因而必定离地球非常远——几十乃至上百亿光年。这样远的距离上还能被看见的东西，显然不会是单颗恒星。它们体积很小、异常明亮，典型描述是，一个体积不超过太阳系的家伙，亮度超过包含几千亿颗恒星的星系。作为对比，我们的银河系总共约有2千亿颗恒星。由于搞不清楚这种极远、极小、极亮的东西究竟是什么，科学家干脆就管它叫“类似恒星的天体”，简称类星体（quasar，类恒星射电源的英文缩写。由于后来发现很多类星体并不发出射电波，就改称类恒星天体）。几十年来，科学家对类星体的真面目提出了多种猜测，其中俄罗斯科学家Yakov Zeldovich 的黑洞说目前比较流行。他认为，类星体是剧烈活动的星系核，那里有一个巨型超级黑洞，正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时释放引力能，发出强烈的光芒。通过类星体的亮度，可以判断中央黑洞的质量。光传播的速度是有限的，一个天体离我们多少光年远，我们看到的就是它多少年前的形象，观察遥远天体就是在观察宇宙的过去。美国的斯隆数字巡天计划（Sloan Digital Sky Survey）不久前用2.5米望远镜发现了一些新的类星体。在短短几分钟的曝光时间内被一台不算大的望远镜捕捉到，这些类星体实在是格外的亮。从其亮度推算，一个这样的类星体包含着一个质量相当于30亿个太阳的黑洞，正在以每年吃掉100个太阳系的速度吞食物质。它们有着高达6的红移，因此我们接收到的光芒，显示的是它们在宇宙大爆炸之后不足10亿年时的样子。于是麻烦就来了：那么幼小的宇宙，怎么会有这样巨大的黑洞形成，又有那么多物质供它们吞食？从现行宇宙模型来看，这就像是在说我现在居住的这幢8层公寓楼是一天内造起来的。美国哈佛－史密森天体物理研究所（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的Stuart B. Wyithe和Abraham Loeb在一定程度上减轻了宇宙学的这种困扰。他们在6月27日出版的英国《自然》杂志上说，新发现的这批遥远类星体，可能有多达1/3是被引力透镜夸大过的：透镜使它们看上去的亮度增加了10倍甚至100倍。把这个因素考虑进去，这些类星体的实际亮度就低得多，所代表的黑洞自然也就大大缩水。一天搭起一间简陋的小棚屋并不困难，罗马不是一天造成的，宇宙也不是，这真是好极了。 设于夏威夷的日本富士(Subaru)望远镜拍得的照片。图中央暗红色的是 一个椭圆星系，它的引力透镜作用对同一个类星体（蓝色天体）形成了4个像。 听完了好消息，我们再来听坏消息。如果上述现象普遍存在，也就是说红移约为6的所有遥远类星体中都有1/3被引力透镜夸大，也会给早期宇宙研究带来另一种麻烦。若不能正确地估计引力透镜对类星体观测结果的影响，就会过高估计早期宇宙中类星体数量和总辐射，这关系到宇宙间离散气体的温度和离子化等问题，直接影响我们对宇宙演化过程的推理。要是我们真的像Wyithe和Loeb所估计的那样正隔着一大堆我们还不了解其构造分布的引力透镜观察早期宇宙，就意味着观测结果中的不确定性比想象中多得多，对早期宇宙的研究会变得更复杂——而这本来就够困难的了。为什么遥远类星体被引力透镜夸大的比例那么高？很容易