引力透镜：用宇宙来放大宇宙
如果你想看到更远的宇宙，你需要收集更多的光。就像灯泡和蜡烛在越远的地方光线越微弱一样，更遥远的恒星和星系也更加难以发现和观测。在天文学中，寻找和研究一个天体的能力完全取决于你可以从这个天体上收集到多少光子。
图片来源：欧洲南方天文台“OWL”项目，说明了聚光能力对看到细节的影响
传统上，只有两种方法可以收集更多光子：
- 建造一个更大的望远镜，从而增加聚光能力，或者
- 长时间的观察目标天体，从而在总量上增加收集到的光量。
当然，你也可以通过进入太空（这样就可以不用和大气层打交道）或者通过安装大量极其精巧先进的自适应光学系统（这样就可以减少噪声，使每个光子更有效率和有意义），从而增加收集光量的效率，但最终，你所能收集到的光量仍然有限。
但是如果不是通过建造更大的更昂贵的望远镜，也不是将所有观测时间都集中于同一个目标上，而是要寻找一种方法能够放大超远距离的目标天体，并使来自他们的光更亮，该怎么办？在一次巧合下，爱因斯坦的广义相对论准确的预言了这一现象：引力透镜效应。
图片来源：NASA / ESA，引力透镜效应工作原理说明
如果你对广义相对论一无所知，看一下这个：它的核心思想是空间和时间不是相对独立的，而是组成了一个单一的、连续的且不可分的结构，也就是时空，每个粒子都在时空中穿梭，物质和能量的存在会扭曲时空本身的结构。弗里茨·兹维奇在19世纪30年代发现，如果你在空间的某处聚集了足够多的质量，比如一个超大质量星系或者一个星系团，那么它可能会充当一个奇怪的放大镜作用在它背后的物体上：即引力透镜。
图片来源：ESO/R. Massey
引力透镜可以有多种表现方式，具体取决于背景和前景光源的方向：
- 它们可以创建同一星系的多个图像，因为光路会沿不同方向弯曲。
- 它们会导致图像变形，包括径向弧，椭圆形和“拉伸”图像。
- 并且，如果完美对齐，它可能会产生一种更严重的变形，以至于背景物体会被拉伸成一个完整的或接近完整的圆，被称为爱因斯坦环。
但是所有这些情况都有一个共同点：用引力透射拍摄的物体会被放大，随着观测次数增加，它的亮度也会变大。
正是这种技术使我们能够找到迄今为止所能发现的最遥远的类星体和星系，包括目前的记录保持者。通过运用我们所有的先进技术：最大的天文望远镜能够收集最多的光量，长时间的进行观测，以及远距离物体和引力透镜的偶然排列，我们可以探测到比运用其他技术更遥远的宇宙。这也是我们目前所能找到的所有星系中最遥远星系的方式：即当前的记录保持者EGSY8p7，如果不是被放大的话将无法被探测到。
图片来源：NASA-哈勃与斯皮策太空望远镜观察到的EGSY8p7星系。
尽管在提出引力透镜概念之后的40多年内，人类并没有真正观测到这一现象，但它现在是被用于称重遥远（前景）星系，和发现超遥远（背景）星系最多产的工具。尽管这不是一项我们可以精准控制的技术，因为宇宙中存在大量的物质，而透镜和透镜物体被放置在他们各自的位置，我们能够做的只有观察，运用正确的工具、在正确的波长下观测的时间越长，我们就能找到宇宙中更遥远的天体。
图片来源：NASA，ESA，R. Bouwens和G. Illingsworth（加州大学圣克鲁斯分校）
更好的望远镜、更好的技术和更久的时间都有益于发现未知的星系，但是当涉及到终极宇宙放大镜时，我们的这些工具并没有爱因斯坦广义相对论那样的份量。宇宙的质量和时空的本质在遥远宇宙中散发的光芒，比我们期待的要多得多！
作者: Ethan Siegel
FY: 仝囧囧
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