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透鏡里的宇宙
（2007年11月17日 13:07）
來源︰《飛碟探索》 2007年第10期
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□作者: 碧 聲
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羅馬不是一天建成的，當然宇宙也不是。因此我們看到的早期宇宙，也許很大程度上是引力透鏡夸大和扭曲後的樣子。
這里的透鏡不是指光學望遠鏡的鏡頭，而是愛因斯坦的“引力透鏡”。光線經過大質量天體附近時，會發生彎曲。
1919年，愛丁頓就是在日食時觀察太陽對星光的這種偏轉作用，為廣義相對論提供了實驗證據。想象一下，在我們地球和某一個遙遠天體間的直線上存在一個星系(星團、黑洞或隨便什麼質量巨大的東西)，遙遠天體發出的光被這個星系彎折、匯聚後到達地球，在我們看來，這個遙遠天體就被“放大”了，也更明亮了。這種效果與普通的玻璃或塑料透鏡是一樣的，因此可以把該星系看做一個“引力透鏡”。
天文學家對引力透鏡已經相當熟悉，甚至把它們當成真正的透鏡來用，試圖通過這種“引力望遠鏡”看到更遠的地方。當然引力透鏡不像光學玻璃可以精心打磨，也不能仔細調整安裝位置，所以就別挑剔成像的質量——更何況引力透鏡現象是非常稀罕的。宇宙如此廣大，地球、引力透鏡、觀測對象恰好三點一線的幾率實在是太小了。從地球上觀察鄰近星系的恆星，大概100萬顆里只有一顆會明顯地被引力透鏡放大。對于離我們非常非常遠的類星體，這一比例通常被認為是千分之幾。
類星體是一種非常古怪的天體。它們在光學底片上的像與恆星非常相像，因此早先被當做普通的暗弱恆星。但是後來的觀測表明，它們的紅移很大，因而必定離地球非常遠——幾十乃至上百億光年。這樣遠的距離上還能被看見的東西，顯然不會是單顆恆星。它們體積很小、異常明亮。典型的描述是，一個體積不超過太陽系的家伙，亮度超過包含幾千億顆恆星的星系。作為對比，我們的銀河系總共約有2000億顆恆星。
由于搞不清楚這種極遠、極小、極亮的東西究竟是什麼，科學家干脆就管它叫“類似恆星的天體”，簡稱類星體。幾十年來，科學家對類星體的本來面目提出了許多種猜測，其中俄羅斯科學家亞科夫的黑洞說目前比較流行。他認為，類星體是劇烈活動的星系核，那里有一個巨型超級黑洞，正在貪婪地吞食氣體塵埃。物質跌入黑洞時釋放引力能，發出強烈的光芒。通過類星體的亮度，可以判斷中央黑洞的質量。
光傳播的速度是有限的，一個天體離我們多少光年遠，我們看到的就是它多少年前的形象，觀察遙遠天體就是在觀察宇宙的過去。美國的斯隆數字巡天計劃不久前用2.5米望遠鏡發現了一些新的類星體。它們在短短幾分鐘的曝光時間內被一台不算大的望遠鏡捕捉到，這些類星體實在是格外明亮。從其亮度推算，一個這樣的類星體包含著一個質量相當于30億個太陽的黑洞，正在以每年吃掉100個太陽系的速度吞食物質。它們有著高達6的紅移，因此我們接收到的光芒，顯示的只是它們在宇宙大爆炸之後不足10億年時的樣子。于是麻煩就來了︰那麼幼小的宇宙，怎麼會有這樣巨大的黑洞形成，又有那麼多物質供它們吞食?從現在的宇宙模型來看，這就像是在說我現在居住的這幢8層公寓樓是一天內造起來的。
美國哈佛一史密森天體物理研究所的威瑟和魯勃在一定程度上減輕了宇宙學的這種困擾。最近，他們在英國《自然》雜志上撰文說，新發現的這批遙遠類星體，可能有多達1/3是被引力透鏡夸大過的︰透鏡使它們看上去亮度增加了10倍，甚至100倍。如果把這個因素考慮進去，那麼這些類星體的實際亮度就低得多，所代表的黑洞自然也就大大縮水。一天搭起一間簡陋的小棚屋並不困難，羅馬不是一天建成的，宇宙也不是，這真是好極了。
听完了好消息，我們再來听一個壞消息。如果上述現象普遍存在，也就是說紅移約為6的所有遙遠類星體中都有1/3被引力透鏡夸大，那也會給早期宇宙研究帶來另一種麻煩。若不能正確地估計引力透鏡對類星體觀測結果的影響，研究者就會過高估計早期宇宙中類星體的數量和總輻射，這關系到宇宙間離散氣體的溫度和離子化等問題，直接影響我們對宇宙演化過程的推理。
要是我們真的像威瑟和魯勃所估計的那樣正隔著一大堆我們還不了解其構造分布的引力透鏡來觀察早期宇宙，那就意味著觀測結果中的不確定性比想象中多得多。而對早期宇宙的研究，會變得更復雜一盡管本來就夠困難的了。
為什麼遙遠類星體被引力透鏡夸大的比例那麼高?很容易想到的一個原因是，它們既然非常遠，與地球之間的空間里天體很多，其中出現位置合適的天體的可能性也就更高。但這只是一部分原因，威瑟和魯勃的看法是——引力透鏡大大夸張了某些類星體的亮度，使得它們更容易被發現。我們的觀測能力有限，最先發現的類星體有許多是經過透鏡夸張的，也就不奇怪。
他們倆的觀點是否正確呢?
也許我們很快就可以檢驗一下了——引力透鏡的典型效果是對同一天體產生多個相隔很近的虛像。雖然斯隆數字巡天計劃的望遠鏡不足以把這些類星體的虛像區分開來，其他大型地面望遠鏡和哈勃空間望遠鏡卻是有可能的——據說相關的觀測已經在著手準備了。
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文章作者:碧 聲
責任編輯:skylook
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