引力透镜：人类观测宇宙的放大镜

引力透镜的基础是光在空间中传播时，因受到区域引力场影响而发生偏折的效应，引力透镜效应是爱因斯坦等效原理的直接体现。

想像一下，当你乘坐一台无窗电梯时可能遭遇的两种状况：加速向上与自由落下。当电梯加速向上的瞬间，你的身体因为惯性而静止于原来的高度上，但电梯硬把你往上推，你会感受到体重似乎骤然增添了不少；另一方面，当你搭电梯下楼时，在电梯从静止开始下降的瞬间，惯性试图将你保持在原来的高度上，但当电梯突然下降时，身体失去支撑，你就误以为身处在自由落下的状态，引力的牵引忽然消失，体重好像瞬间归零。

行星们为什么会转弯？

这就是爱因斯坦在1907年发现的等效原理：引力造成的效应与物体加速运动时的效应是相等的！

爱因斯坦据此悟出引力其实算不上是一种“作用力”，运动中的物体所感受到的引力大小基本上与其质量无关，而是受到空间弯曲的影响。当空间中存在具有质量的物体时，它就会成为引力场源，并且使周围的空间弯曲。

空间弯曲的程度取决于引力场源的质量：引力场源的质量愈大，代表引力场的强度愈强，会使空间弯曲得愈厉害。

若将空间视为有弹性的橡皮膜，可看出行星轨道的成因是来自太阳周遭空间被其庞大质量所扭曲，迫使原本直行的行星因应弯曲空间的形状运动，形成会顺势转弯的轨道。

太阳系的行星轨道就可以用这种概念来理解：太阳的庞大质量会造成整个太阳系空间发生弯曲，当行星在太阳所产生的引力场中移动时，我们以为它们是自己向前直行的，事实上这些行星却是被迫因应弯曲的空间形状而运动，顺势转弯形成各自的绕日轨道。

当位于太阳后面的恒星所发出的光紧邻着太阳旁边通过时，其运动路径会因受到太阳引力场的影响而偏折。由于地球上的观测者总是想像光是沿直线传播过来，因此会认定发光的恒星位在直线延伸的正前方。

光在空间中传播时，会受到区域引力场的影响而发生偏折，这种现象也可以用相同的方式解读。由于引力不是一种“作用力”，因此被引力吸引的物质，无论是否具有质量，在向前直行的移动过程中，都会受空间弯曲的影响而顺势转弯，造成运动路径的偏折。

爱因斯坦曾经因此预言：“当星光紧邻着太阳周围通过时，会受太阳引力场扭曲而偏折。”

此现象在1919年天文学家观测日食的时候被证实为真，爱因斯坦本人更因此而声名远播。

摆在宇宙中的天然放大镜：引力透镜

引力透镜成像的基本原理：遥远光源所发出的光，经大质量天体造成偏折后，在另一端聚焦成像。

当遥远光源发出的光经过大质量天体周围的空间时，会受到该天体的引力场影响而产生偏折，在另一端聚焦成像，这就如同光线通过透镜时会发生的现象，因此我们将此效应称为引力透镜效应。另外，造成光线偏折的天体被称为透镜天体，而光线在偏折聚焦后有可能形成光源的多重图片。

引力透镜产生壮观的多重图片。图中透镜天体的强大引力场，对同一个背景星系制造出3个不同图片，另对一个遥远的类星体制造出5 个不同图片。

任何具有质量的天体，都可能使经过其周遭的光线发生偏折，因此在各种不同尺度上，都可能观察到引力透镜的现象。根据尺度与效果的差异，天文学家一般将引力透镜分为三类：微引力透镜、弱引力透镜、强引力透镜。

搜索宇宙早期形成的星系

引力透镜效应除了作为暗物质存在的直接证据外，更可用来搜索宇宙早期星系的踪影。由于引力透镜的聚焦功能，非常遥远的大质量星系团基本上就等同于宇宙级放大镜，有如上帝手中的终极望远镜，映照出大霹雳后5 亿年内即已形成的星系图片。

NASA 在2018 年初宣布，通过星系团SPTCL J06155746的聚焦，哈伯太空望远镜观测到在早期宇宙所形成的一个胚胎星系SPT0615JD 的图片。

胚胎星系SPT0615-JD 的透镜图片。SPT0615-JD 在大霹雳后5 亿年内即已形成，是一个质量、宽度皆远远不及现代星系的宇宙早期胚胎星系。

通常在如此遥远的深空里拍摄到的星系都只是点状光影，无法透露更多早期星系的物理特性。但SPTCL J06155746 星系团不仅放大了SPT0615JD的图片，更将其外貌扭曲延展成一个长约2 弧秒2的拱形天体。

在分析这个透镜图片后，天文学家发现SPT0615JD的质量不超过30亿倍太阳质量，约为银河系质量的1%；而其真实大小则不及2500光年，大约只有我们银河系的卫星星系小麦哲伦云的一半左右。可见早期星系的性质，与我们银河系这种现代星系大相径庭。未来，随着观测到愈来愈多这类胚胎星系的透镜图片，相信我们终能掌握星系形成的秘密！

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