引力透鏡：用宇宙來放大宇宙
如果你想看到更遠的宇宙，你需要收集更多的光。就像燈泡和蠟燭在越遠的地方光線越微弱一樣，更遙遠的恆星和星系也更加難以發現和觀測。在天文學中，尋找和研究一個天體的能力完全取決於你可以從這個天體上收集到多少光子。
圖片來源：歐洲南方天文臺“OWL”項目，說明了聚光能力對看到細節的影響
傳統上，只有兩種方法可以收集更多光子：
- 建造一個更大的望遠鏡，從而增加聚光能力，或者
- 長時間的觀察目標天體，從而在總量上增加收集到的光量。
當然，你也可以通過進入太空（這樣就可以不用和大氣層打交道）或者通過安裝大量極其精巧先進的自適應光學系統（這樣就可以減少噪聲，使每個光子更有效率和有意義），從而增加收集光量的效率，但最終，你所能收集到的光量仍然有限。
但是如果不是通過建造更大的更昂貴的望遠鏡，也不是將所有觀測時間都集中於同一個目標上，而是要尋找一種方法能夠放大超遠距離的目標天體，並使來自他們的光更亮，該怎麼辦？在一次巧合下，愛因斯坦的廣義相對論準確的預言了這一現象：引力透鏡效應。
圖片來源：NASA / ESA，引力透鏡效應工作原理說明
如果你對廣義相對論一無所知，看一下這個：它的核心思想是空間和時間不是相對獨立的，而是組成了一個單一的、連續的且不可分的結構，也就是時空，每個粒子都在時空中穿梭，物質和能量的存在會扭曲時空本身的結構。弗裡茨·茲維奇在19世紀30年代發現，如果你在空間的某處聚集了足夠多的質量，比如一個超大質量星系或者一個星系團，那麼它可能會充當一個奇怪的放大鏡作用在它背後的物體上：即引力透鏡。
圖片來源：ESO/R. Massey
引力透鏡可以有多種表現方式，具體取決於背景和前景光源的方向：
- 它們可以創建同一星系的多個圖像，因為光路會沿不同方向彎曲。
- 它們會導致圖像變形，包括徑向弧，橢圓形和“拉伸”圖像。
- 並且，如果完美對齊，它可能會產生一種更嚴重的變形，以至於背景物體會被拉伸成一個完整的或接近完整的圓，被稱為愛因斯坦環。
但是所有這些情況都有一個共同點：用引力透射拍攝的物體會被放大，隨著觀測次數增加，它的亮度也會變大。
正是這種技術使我們能夠找到迄今為止所能發現的最遙遠的類星體和星系，包括目前的記錄保持者。通過運用我們所有的先進技術：最大的天文望遠鏡能夠收集最多的光量，長時間的進行觀測，以及遠距離物體和引力透鏡的偶然排列，我們可以探測到比運用其他技術更遙遠的宇宙。這也是我們目前所能找到的所有星系中最遙遠星系的方式：即當前的記錄保持者EGSY8p7，如果不是被放大的話將無法被探測到。
圖片來源：NASA-哈勃與斯皮策太空望遠鏡觀察到的EGSY8p7星系。
儘管在提出引力透鏡概念之後的40多年內，人類並沒有真正觀測到這一現象，但它現在是被用於稱重遙遠（前景）星系，和發現超遙遠（背景）星系最多產的工具。儘管這不是一項我們可以精準控制的技術，因為宇宙中存在大量的物質，而透鏡和透鏡物體被放置在他們各自的位置，我們能夠做的只有觀察，運用正確的工具、在正確的波長下觀測的時間越長，我們就能找到宇宙中更遙遠的天體。
圖片來源：NASA，ESA，R. Bouwens和G. Illingsworth（加州大學聖克魯斯分校）
更好的望遠鏡、更好的技術和更久的時間都有益於發現未知的星系，但是當涉及到終極宇宙放大鏡時，我們的這些工具並沒有愛因斯坦廣義相對論那樣的份量。宇宙的質量和時空的本質在遙遠宇宙中散發的光芒，比我們期待的要多得多！
作者: Ethan Siegel
FY: 仝囧囧
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