当广义相对论在100年前提出的时候，科学家就意识到光线会在引力的作用下弯曲。但是，哪怕是爱因斯坦自己都没有预料到，这种效应可以帮助今天的科学家探测最遥远宇宙中的暗淡天体。
哈勃Frontier Field项目拍摄到的Abell370照片。这是目前光学引力透镜研究最高质量的数据。我们可以看到在图像中存在大量长弧状的天体，这些都是被引力透镜强烈扭曲的星系。在图片中有很多暗淡的小光点，其中很多不属于这个星系团，而是非常遥远宇宙中的星系。
鲸鱼座，对于大多数观察星空的爱好者来说是个无聊的星座。虽然占据了1231平方度的夜空，面积在全天88个星座中排名第四，但里面一颗亮星也没有。鲸鱼座最亮的恒星是天囷一，视星等只有区区2.54等, 在所有恒星亮度中仅排名93，简直是平平无奇。鲸鱼座究竟怎样获得这个威武的名字也耐人寻味，只有想象力丰富到爆炸的人，可能才真的能够看出来这是一个喷水的鲸鱼吧。对大多数观星者来说，这个星座只是暗淡恒星构成的几个多边形而已。
图1. 鲸鱼座的星空区域。（图源：Till Credner/wikipedia.org）
鲸鱼座暗淡的原因在于，它处于夜空中远离银河盘面所在的区域。正因为如此，这片天区也较少受到银河尘埃的阻碍，有利于观察者看到更远处的宇宙。资深的星空爱好者知道，借助小型望远镜可以在这个星座里找到M77——梅西耶星云团表中最有趣的天体之一。这是一个漩涡星系，有着清晰可见的旋臂结构，足堪反复玩味。不过要想真的在这块夜空中看到一些宇宙奇景，需要更大的投入。在图2中，读者可以看到智利CTIO天文台Chart32全自动化望远镜拍摄的Abell370的照片(这一望远镜部分的时间面向美国初高中天文科学实践开放)。这张图片是这个小型望远镜14个小时的拍摄结果，图像质量令人惊异。这张照片只拍摄了鲸鱼座一小块天区，大小和普通人伸直手臂，用拇指挡住的天空大小类似。虽然是中学生也可以接触到的望远镜，Chart32望远镜收集光子的能力可是人眼的2万倍。这使得深藏鲸鱼座夜幕中的暗淡天体大量浮现出来。在图片上，除了少数的恒星，绝大多数都是远在银河系之外的河外星系。但在照片中心处，你可以发现星系的颜色都是较为接近的橘黄色，而且密集的程度远远超过周边的其他区域。
图2. 位于智利CTIO天文台， 70cm Chart32望远镜拍摄到的Abell370星系团图像。橘红色的星系大多是星系团的成员星系。红框内的奇怪天体是实际上是引力透镜作用下的星系团背后的一个星系的图像。（图源：参考资料[1]）
这些星系构成了一个巨大的集团，一般被称作星系团。我们在照片中看到的星系团是1958年George Abell编辑的星系团表中距离我们最遥远的一个，编号Abell370，距离我们40亿光年，是宇宙中最大的被引力束缚的天体集团之一。图片中凭借肉眼就能识别的星系团成员就足足有上百个，占据了直径数百万光年的宇宙空间。
更令人惊异的是，我们所看到的星系实际上只是这个星系团的很小一部分。如果我们将目光移向Chandra X-ray望远镜的观测区域，我们会发现这个星系团中心充满了炽热的气体。这些气体和我们宇宙中其他地方冷气体的成分相差无几，都是由氢原子和氦原子构成的。独特之处在于这些气体的温度极高，达到了数千万摄氏度。温度代表了气体分子运动的剧烈程度。极高温度的气体，意味着每一个分子的运动速度都极快。为什么这些气体能够聚集在星系团的中心，而不四散而开呢？人们在上世纪80年代意识到，星系团中心热气体的存在意味着星系团的引力质量要比热气体加上恒星的总和还要大得多。这些质量来自于暗物质的贡献。这类物质几乎不参与电磁相互作用，只有通过它的引力效应人们才能认识到它的存在[2]。星系团中心热气体的聚集正是被星系团中巨量暗物质产生的引力所束缚。一般而言，在星系团中热气体的质量要比恒星的质量多上10倍左右，而暗物质的质量又比热气体的总质量大上4-5倍。如果我们算上Abell370中所有的物质贡献，那么在其中心附近1000光年半径的区域里聚集了三百万亿恒星质量。
图3. Chandra X-ray卫星观测结果和Hubble望远镜图像叠加生成的图片。紫红色表现了星系团中热气体的分布。蓝色则表现了由引力透镜分析计算出的暗物质分布。（图源：参考资料[3]）
星系团巨大的引力会为我们展现出超出常识的奇景。现在让我们再一次审视Chart32拍摄的星系团图像。在星系团下方，读者可以看到一个蜿蜒细长的弧形天体，有点像是一颗划过星空的彗星。这个奇怪的天体最早在1973年的照相观测中引起人们的兴趣。但早期的观测无法测量这个天体进一步的特性。各种有趣的假说被用来解释它的存在，例如就有人认为这个长弧状的天体是“具有恒星爆发的冷气体流”，也有人提出这个长弧和气体在星系团中的激波有关。在众多答案中，普林斯顿大学的Paczynski意识到了正确的解答[4]：这是一个普通的星系，它的距离要比星系团Abell370远的多。它的形状之所以如此奇怪，是因为星系团巨大的引力使得它发出来的光线路径产生了扭曲，因此它的形状就变得像哈哈镜中的人像一样奇怪了。
图4. 早期研究中Abell370的图像。（作者：V. Petrosian，图片来自Gravitational Lenses （By P. Schneider, J. Ehlers and E. E. Falco 1992））
爱因斯坦的广义相对论告诉我们，引力透镜效应会改变遥远背景天体在照片上的位置、形状和大小，但是不改变天体的表面亮度。Abell370里的这个长长的星系，比原来的样子大了不少，因此总的亮度也比原来亮了不少。天文学家早就观察到，遥远的星系团覆盖的天区里，似乎蓝色的星系要比人们预期的多不少。在考虑了星系团的引力透镜效应后，这就容易解释了，这都是更遥远宇宙中的暗淡星系，不属于星系团的成员，也本不会被看见，但星系团的引力透镜的放大效应让它们显现了出来。
星系团对背景星空的放大率并不均匀。星系团中心也并不是放大效应最强的地方。引力透镜专家可以利用广义相对论计算星系团的放大效应，预测星系团不同区域的放大能力。星系团放大率最强的地方在所谓的“临界曲线”附近。理论上，落在临界曲线上的点光源可以获得趋向无穷的放大率。但光源总是有一定的面积，所以放大率总是一个有限的值。对星系团来说，位置非常靠近临界曲线的天体可以获得成百上千倍的放大率。
天文学家意识到，星系团的巨大引力场，让它们变成了天然的望远镜，可以帮助人们观察到更遥远的宇宙。一般而言，如果要建造一个收集光线能力增加100倍的望远镜（意味着望远镜的镜面面积增加10倍），预算可能要增加1000倍。而借助星系团这个自然的馈赠，天文学家可以在特定的宇宙方向得到免费的观测能力，在这里挖掘最遥远宇宙中的星系。2002年，Esther M. Hu在Abell370的天区发现一个来自红移6.56的星系[5]，这个星系距离我们一百二十亿光年，是当时人们找到的最遥远的星系。
考虑到星系团引力透镜带来的额外放大能力， 2013-2017年间， 哈勃望远镜进行了运行以来最大的观测项目之一——Hubble Frontier Fields。在这个观测项目中，哈勃望远镜会对包括Abell370在内的6个星系团进行总共超过600小时的曝光。这使得人们在这些区域的探测能力超过肉眼极限数亿倍，可以看到微弱至28等的星系。这些非常暗淡的星系中有很多距离我们极端遥远。光线从这些星系出发，传播到哈勃望远镜中需要漫长的时间，因此我们实际上正在观察它们远至一百三十二亿年之前的样子。那时候宇宙正处于演化的早期，经历着一个被称作再电离化的过程。在这个时代，宇宙正逐渐从一个充满不发光的黑暗时代迈向一个由星系点亮的光明时代。天文学家一直在争论，究竟什么样的天体是宇宙中第一批明亮的天体，在带给宇宙光明的过程中起到了决定性的作用。Hubble Frontier Fields中显示出来的这些暗淡星系就是这个舞台上重要的演员。它们虽然暗淡，但可能数目众多，在宇宙走向光明的过程中贡献了不可忽视的紫外波段光子。这些星系原本被认为只有下一代James Web望远镜（比哈勃望远镜镜面直径大四倍，收集光线能力强16倍）才可能拍摄到。但借助爱因斯坦的望远镜，天文学家成功地提前窥视到宇宙最遥远疆域的秘密。
在本文中，我们只描述了引力透镜效应很小的一部分应用。事实上，这件发端于爱因斯坦引力理论的观测工具的丰富多彩，已经成为了天文研究中的重要领域[6]。这绝非爱因斯坦的初衷。在这位理论创始人的一生里，可观测的宇宙及其演化历史并未占据他太多的时间，他曾短暂地研究引力透镜效应，但很快因为其效应的微弱而不再投入精力。他大概从未意识到，广义相对论还能够以这种形式在宇宙研究的舞台上大放异彩吧。
作者简介：李然，毕业于北京大学天文系，获理学学士学位（2006年）和博士学位（2011年）。其后在国家天文台从事博士后研究，现在为国家天文台星云计划研究员。主要研究领域：引力透镜，星系形成以及宇宙学。业余从事科普写作，已出版《漫步到宇宙尽头》一书。
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参考资料
[1] http://www.chart32.de/index.php/component/k2/item/124
[2] 详见赛先生专栏文章《围剿暗物质》
[3]Paczynski, B. 1987,Nature, 325, 572.
[4]X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK - http://chandra.harvard.edu/photo/2015/dark/dark_a370.jpg
[5] Hu et al. 2002, ApJL, 568, 75
[6]《眼见不为实——引力透镜效应》，知识分子专栏
