第15章 引力透镜看到遥远的过去和暗物质

现在，科学界通过巨大高精度的各种天文望远镜，看到越来越远的天体，比如发现了90多亿光年距离的原始恒星，130多亿光年距离的星系。但这些恒星和星系并不是望远镜直接看到的，而是通过前置天体的巨大引力透镜效应，将遥远微弱暗淡星光放大很多倍，才发现的。

比如2016年5月，天文学家们看到了90亿光年距离一颗恒星发出的光线，就是通过哈勃望远镜与引力透镜结合在一起，让这颗遥远恒星的光明亮了很多，才被发现的。这颗恒星被命名为LS1（透镜恒星1），昵称为“伊卡洛斯”。

一般来说，现代太空望远镜很能分辨1亿光年的单颗恒星，因此要寻找这种恒星都要依赖引力透镜效应，找到正好在这颗恒星中间的前置引力源，这种引力源形成的引力透镜一般都能轻易放大50倍，这样就能分清1亿光年距离的单颗恒星。

而夹在LS1恒星中间的引力透镜，将这颗恒星放大了2000倍，加上哈勃望远镜比人眼分辨率提升6亿倍的强大功能，才让天文学家们看到了这颗恒星。

根据人眼观测与光速的关系，看到越远的事物，就说明这个事物的历史越久远。而引力透镜让人们看到130多亿光年的天体，因此可以认为这些天体是宇宙大爆炸初期的状态，也就是是宇宙的婴儿状态，对研究宇宙的演化过程起到了重大作用。

20世纪初，科学界曾经认为，人类的物理学大厦主体本来已经落成，只剩下一些装饰工作了，但出现了横在人们面前有两朵乌云：一朵是光的波动力学，迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；另一朵主要是指热学中的能量均分布在比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

这两朵乌云让建立在牛顿经典力学和已形成的麦克斯韦电磁统一理论出现了危机，难道这些大厦将要倾倒或者拆掉重来？一时间物理学界笼罩在一片迷惑和惶惶中，爱因斯坦相对论和普朗克量子力学的诞生，让物理学大厦重新拨云见日。

由此，相对论和量子力学成为现代物理学的两块最重要基石，物理学从经典走向了现代。

现在，物理学又出现了两朵更大的乌云，而且是看不见摸不着，但却是让人感到无处不在的乌云，这就是暗物质和暗能量。

在研究宇宙天体运行规律时，人们发现总会与理论有出入，而且出入还很大。如在1933年，天体物理学家兹威基利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系的运动速度，发现这些星系速度弥散度极高，依靠星系可见质量的引力完全无法束缚这些星系，星系团早就分崩离析了。

因此他指出，在这个星系团里一定有其他看不见的物质存在，经过测算，这种物质至少是可见物质的100倍以上。后来科学家们发现这种现象在宇宙中带有普遍性，由此把这种看不见的物质命名为“暗物质”。

这样又出现了一个矛盾：如果我们宇宙普遍存在着暗物质，那相互之间引力就十分巨大，整个宇宙就应该呈现出收缩态势。可是研究发现，宇宙还在加速膨胀，这个膨胀的力量是从何而来呢？这个力量也是看不见摸不着，于是科学家们把这种能量称为“暗能量”。

这个暗能量有多大呢？经过宇宙膨胀与星系引力作用的一些复杂计算，人们得出了暗能量是暗物质的数倍之多。现在科学界比较多普遍的认知是，在我们宇宙，恒星、星系、星际物质等可以观测的物质加起来只占宇宙总量的4.9%，而暗物质所占比例为26.8%，暗能量比例为68.3%。

由此，我们宇宙的未来和归宿，似乎并非由可见物质决定，而是取决于暗物质和暗能量的博弈。如果不弄清这两朵笼罩在天体物理学上空的“乌云”，人类就很难找到宇宙更深入的真相。但暗物质暗能量无法观测，它们到底是什么呢？它们在空间的分布状态又是怎样的呢？这是科学界几十年来一直想弄清楚的问题。

值得庆幸的是，引力透镜让暗物质现了形

暗物质由于不带电，因此不会与光子发生作用，而人类完全是依靠光（可见光、电波和射线都是光的不同波段）来观测物质，这样，暗物质对人类来说就是透明的。虽然人们可以通过引力作用来计算出某个星系或星系团中暗物质的质量，但如何了解这些暗物质在空间的分布呢？

暗物质虽然不发出任何辐射，不可能被直接观测到，但既然它在引力透镜效应中发挥着重要甚至主要作用，科学家们就可以通过引力透镜效应来分析它们在空间的分布状态了，由此，引力透镜效应就成为发现宇宙暗物质的探针。

2007年1月，欧洲和美国科学家首次公布了局部宇宙空间暗物质分布的三维图，这个三维图就是依靠引力透镜效应得到的。这张图集中了70位天文学家的智慧，他们合作分析了哈勃望远镜1000个小时拍摄的575张照片，找出了50万个受到引力透镜畸变的星系，制作出了这个暗物质三维图。

2006年8月21日，美国科学家公布了哈勃和钱德拉两架空间望远镜在2004年拍摄的一组综合图像，这是坐落在船底座1E0657-56“子弹星系团”的综合图像，距离我们34亿光年，由两个大星系团碰撞合并而成。

照片中有三种不同波段望远镜分别拍摄出来效果，有红色高温气体和白色、黄色众多星系，还有一片蓝色区域，就是星系团中的暗物质。这些暗物质分布是根据星系团形成的引力透镜效应分析描绘出来的，图像清晰显示了星系团碰撞过程，暗物质和普通物质的分离过程以及空间分布状态。

2007年5月15日，哈勃望远镜公布了星系团CL0024+17拥有暗物质环的图像，环径达260万光年。照片中显示许多条蓝色弧段，是被引力透镜畸变了的一些更遥远星系。这张照片是2004年11月，哈勃望远镜采用6种不同波长的滤光片曝光了14个小时得到的。

2007年8月16日和2008年8月27日，哈勃和钱德拉望远镜又公布两张类似的照片:猎户座Abell520星系团，距离24亿光年;鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团，距离59亿光年。这些都是宇宙暗物质存在的直接证据。

现在，科学界探索暗物质和暗能量的方法已经很多，但引力透镜在其中一直起着无法替代的作用，而且引力透镜还在测量哈勃常数，确定宇宙年龄等科学实践中，也起着重要作用。这些都是爱因斯坦时空弯曲理论的后续成果。