重力透鏡

重力透鏡（gravitational lensing），根據廣義相對論，就是當背景光源發出的光在引力場（比如星系、星系團及黑洞）附近經過時，光線會像通過透鏡一樣發生彎曲。光線彎曲的程度主要取決於引力場的強弱。分析背景光源的扭曲，可以幫助研究中間作為“透鏡”的引力場的性質。根據尺度與效果的不同，引力透鏡效應可以分為強引力透鏡效應和弱引力透鏡效應。

一般從數學上來講，面質量密度大於1的為強引力透鏡區域，小於1的為弱引力透鏡區域。在強透鏡區域一般可以形成多個背景源的像，甚至圓弧（又稱“愛因斯坦環”，Einstein Ring），而弱透鏡區域則只產生比較小的扭曲。強透鏡方法通過對愛因斯坦環的曲率和多個像的位置的分析，可以估計測量透鏡天體質量。弱透鏡方法通過對大量背景源像的統計分析，可以估算大尺度範圍天體質量分佈，並被認為是現在宇宙學中最好的測量暗物質的方法。

1980年，天文學家觀測到類星體Q0957+561發出的光在它前方的一個星系的引力作用下彎曲，形成了兩個一模一樣的類星體的像。這是人類第一次觀察到引力透鏡效應。

入射電磁波經過星球附近會發生偏折，其偏角正比於該星球的質量，且匯聚在遠側的焦點處。它並沒有單一的焦點，而是一根從最小焦距延伸到無窮遠的焦線。這種透鏡的增益正比於星球的質量，反比于波長。當λ=1mm時，太陽透鏡從原理上能給出多於80dB的增益。若有位於焦線上的航天飛機載有80dB增益的天線，則總的增益為160dB，等效為1億個80dB增益的天線單元所組成的陣列。

馬賽天體物理實驗室天文學家吉恩-保羅-內布和海德爾堡大學天文學家希斯利-法勒帶領歐洲的一組天文學家，對哈勃望遠鏡的高級巡天照相儀發回的數據進行了分析。根據高級巡天照相儀的高清晰圖像，並輔以廣泛的地面跟蹤觀測，天文學家們鑑定出了67個強大的重力透鏡星系。這些重力透鏡星系是在橢圓或透鏡形的超大質量星系周圍發現的，並表現出了極少量沒有旋臂或螺旋盤的氣體和塵埃。大質量星系能產生強大的透鏡作用，儘管這比以前哈勃望遠鏡觀測到的普通巨型“弧形”重力透鏡星系要普遍得多，但是它們很難被發現，因為它們遍佈的區域小且形狀多種多樣。 ^[1] 

從遙遠星系射向我們的光在遇到屆於星系與我們之間的大質量物體後，會被放大和扭曲，這種現象就叫重力透鏡化。一般而言，我們無法觀測早期宇宙，而這些重力透鏡就常常使得天文學家們得以對早期宇宙進行探測和研究，並有機會探測星系透鏡周圍的暗物質分佈。透鏡化的大質量物體通常是龐大的大質量星系團。在這67個重力透鏡星系中，令人印象最深刻的透鏡表現出了一或兩個背景星系扭曲和變形的光。其中至少4個透鏡產生了愛因斯坦環，這種背景星系的完整圓形圖像的形成非常難得，它是當背景星系、大質量前景星系和哈勃太空望遠鏡完美排成一行時形成的。吉恩-保羅-內布説：“典型的例子是，我們可以看到，重力透鏡能在星系團周圍產生一系列明亮的弧或點。如今，我們在地球上觀測到的是單個超大質量星系周圍發生的一切。”

為了發現這些不可思議的天然透鏡，天文學家們遵循了一個特殊的程序。首先，從包括200萬個或以上星系的星系目錄中鑑定出可能的星系。然後，用肉眼仔細觀察每個底片自動測量儀圖像，確定任何可能是重力透鏡的星系。最後，進行檢查，看看前景星系與透鏡星系到底是真的不同的兩個星系，還是僅僅是一個星系的兩種不同形狀。吉恩-保羅-內布説：“根據人類肉眼鑑定的重力系統樣品，我們目前計劃使用這些透鏡樣品來訓練機器人軟件，以在整個哈勃圖像檔案庫中找出更多的透鏡星系，並在底片自動測量儀領域中發現更多強大的透鏡化系統。”一旦天文學家們發現了更多數量的強大透鏡星系，他們就可以進行宇宙間的星系質量大普查，並以此檢驗宇宙論模型的預測。

德國天文物理學科學家羅伯特-科什納表示這一發現對於天文學研究來説意義重大，他説：“這一發現證實了科學家們此前很多的猜測，讓人們瞭解到宇宙中第一顆行星是什麼時候才開始發光的。”科學家們發現這一新發現的星系的跨度只有2000光年，比我們的銀河系要小的多，銀河系的直徑達到了10萬光年。羅伯特-科什納指出：“宇宙學家們認為早期星系所包含的恆星同構成現在星系的恆星是有很大區別的，而天體物理學家們則認為黑暗時期以後構成星系的恆星大體相同。”黑暗時期指的是137億年前宇宙大爆炸開始到第一顆行星開始發光的這段時間，如今還沒有人知道黑暗時期到底持續了多長時間。

早在1915年，愛因斯坦就曾公開預言，光線經過重大的力場時會發了偏移。在地球和類星體之間一定存在着一個我們看不到的，且有着巨大質量的天體，當類星體發出的光經過這個天體時， 由於天體的引力，使得光線偏轉， 從而使得地球上的人們看到同一類星體的兩個像。人們稱這樣的天體為重力透鏡。