5月19日，历史上的今天与天文

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历史上的5月19日
1919年5月19日，英国科学家爱丁顿领导的日全蚀观察队验证了太阳引力场使星光偏折的效应，从而证实了爱因斯坦关于相对论的科学预言。


1919引力透镜事件

   1919年5月29日，有一些人正在焦急地等待着日全食的出现。他们有的在非洲西岸的普林西比岛，有的在南美巴西的索贝瑞尔，还有一位，是欧洲大陆上的爱因斯坦。这次的日食带并不经过欧洲，爱因斯坦等待的，是在普林西比岛和索贝瑞尔的分别由天文学家爱丁顿（A. Eddington）和戴森（F.Dyson）领导的两支英国日食观测队的结果。他们万里远征，希望测量的是太阳背后的星光被太阳引力偏折的微小角度。如果广义相对论是正确的，引力将导致时间和空间产生大小相同、符号相反的弯曲，从而使得星光被偏折的角度是牛顿理论预言的2倍。爱因斯坦等待的就是这个魔术数字“2”。

   11月6日，戴森公布了两支观测队的结果，证实了爱因斯坦的预言①。人类智慧，竟然无远弗届，洞察到了遥远星光和飘渺时空背后的“引力魔术”的秘密！在一次世界大战悲惨记忆还没有消退的时候，这无疑是个重新唤起人类文明自信的绝好消息。

   1919年太阳引起的这次星光偏折，是人类第一次较精确地测量到引力透镜现象。90年前，引力透镜这个“魔术”在太阳系尺度上证实了广义相对论。今天，在宇宙学尺度上，即比太阳系尺度大约百亿倍的尺度上，引力透镜正在重现昔日的辉煌，努力探索着引力、暗物质、暗能量的奥秘。

   广义相对论的一个基本预言是，物质的存在会导致时空的弯曲，而时空的弯曲就是引力的体现（描述时空弯曲程度的量称为度规）。遥远天体（源）与地球之间还存在很多别的天体（透镜），这些天体会造成时空弯曲。当天体源的光向我们行进的时候，就会随时空的弯曲（即引力）改变方向，造成光线的偏折。与普通的光学透镜一样，光线的偏折会导致天体形状的改变和其他一系列效应，这就是引力透镜现象。引力透镜效应一般非常小，极难观测，除非光线离这些天体非常近。即便如此，对于太阳边缘的恒星来说，太阳也只能将它们的光线偏折1.7角秒。但是太阳本身很亮，会完全掩盖住它附近的恒星。这就是为什么要等到日全食的时候，才能看到太阳对这些恒星所造成的引力透镜现象的原因。

   原则上，任何天体都有质量，都会产生引力透镜效应。这是广义相对论的一个基本预言，独立于爱因斯坦场方程而存在。虽然早在1919年人类就成功测量了太阳的引力透镜效应，爱因斯坦也早就意识到了引力透镜现象的普遍存在②，但对于太阳系外天体造成的引力透镜效应的成功测量却要一直等到60年后。原因很简单，知道了恒星本来的位置，将其与太阳经过它们时的位置相比较，就测量了引力透镜。但对于其他天体，我们既不知道它们的本来位置，又往往不清楚透镜的位置，所以此路不通，必须另辟蹊径。

   太阳系外的引力透镜

   1979年，美国基特峰国家天文台（Kitt Peak National Observatory）发生了一件蹊跷事。沃尔什（D.Walsh）等人通过2.1米望远镜发现：他们研究的一个类星体（SBS 0957+561）竟然存在一个孪生兄弟！实际上，这是人类在远远超出太阳系范围的宇宙深处看到的第一个引力透镜事件。在这个类星体和地球的连线上，存在着一个星系。这个星系的巨大引力造成的引力透镜效应是如此明显，竟然造成了类星体的双重镜像！

   这样的引力透镜称为“强引力透镜”。这些星系（类星体是一类特殊星系）真是前生修来的福气，竟然会碰到一个知慕少艾的他，在半路上，静静地等候了几十亿年，既不劫财，又不劫色，只想方设法让她更为光彩夺目（放大其亮度）。还唯恐不足，他又变个戏法，幻化出一个海市蜃楼般的美女来吸引天文学家的眼球。若机缘巧合，甚至会幻化出一个爱因斯坦环来③，如美人的眼睛，“幽兰露，如啼眼”，从几十亿光年远处这般望穿秋水地遥遥望来，让每个天文学家禁不住都产生“望美人兮天一方，怀佳人兮不能忘”的感慨，强引力透镜也因此成为天文学的一个热门分支。

   然而，绝大多数星系发出的光，却没有这样的好运气，只得孤独地在太空游荡。百亿年如梦而过，平静如水，偶尔远远地掠过另一个星系（更确切地说，是成团物质），也只掀起些微的波澜，然此种种心事，又有何人能知？“百啭无人能解，因风飞过蔷薇。”在很长的时间里，即使是志在“究天人之际，通古今之变，成一家之言”的天文学家，也一筹莫展，无法破解出此间真意。

   这些难以破解的心中波澜，就是“弱引力透镜”。顾名思义，弱引力透镜没有多重镜像、引力巨弧、爱因斯坦环这样的特征来辨认，所以虽然早就知其存在，却始终没有人找到过它，直到公元2000年④。虽然千禧年从何时开始见仁见智，未必是从2000年开始，但2000年却的的确确是弱引力透镜的元年！

   引力透镜会改变星系形状（学名是cosmic shear，宇宙剪切），其效果随着星系距离的增加而变大。然而即使是远在百亿光年外的星系，在弱引力透镜范围内，星系形状的改变也不过1%左右，这是个很小的效应（所以才叫弱引力透镜）。更麻烦的是，我们还不知道星系本来（经过引力透镜前）是什么样子！那么天文学家是如何探测到这个形变的呢？原来，星系的形变是有规律可循的。简单地说，即使是两个相距很远的、素未谋面的星系，弱引力透镜造成的星系形变也大致相同。把所有这些星系的形状综合起来，通过一些统计手段，就能够提取出弱引力透镜的信号。

   这项工作的难度可想而知：百亿光年外的星系很暗，仅仅要探测到它们就已非常困难，加之这些星系很小，测量它们的形状更是难上加难，何况还要综合几十万、上百万个星系的信息才能提取出弱引力透镜的信号。但这项工作的回报又是如此丰厚。暗物质和暗能量是现代宇宙学研究的核心问题，弱引力透镜能够让我们直接“看到”暗物质。暗物质不发光，但它们贡献引力，能产生引力透镜现象。通过观测星系的引力透镜，就能知道这些暗物质分布在哪个方向。进一步，还能通过一种称为“引力透镜断层扫描”的技术，判断暗物质分布在宇宙哪个方向的哪个距离上，如何随着时间演化。2007年，哈勃望远镜的COSMOS项目正是通过该技术得到了世界上第一张三维暗物质的分布图！甚至，我们能够间接“看到”暗能量。暗能量的“隐身术”更为高明，它既不发光，又几乎不成团，所以连引力透镜效应也不产生。但它能影响暗物质分布的演化。例如在一个暗能量占今天总能量密度75%的宇宙，暗物质不均匀性的演化比没有暗能量时要慢20%左右。引力透镜断层扫描能够让我们看到暗物质不均匀性的演化，从而推断出暗能量的存在。一句话，在引力透镜断层扫描之下，暗能量将无处藏身。

   正因如此，弱引力透镜已成为宇宙学的显学之一，发展神速。从2000年至今，不过短短9年，弱引力透镜的测量精度已有了量级上的提高。而计划中的几个雄心勃勃的大项目，例如美国、欧洲合作的联合暗能量使命项目——欧几里德空间望远镜（JDEM—Euclid)和地面的大口径全景巡天望远镜（large synoptic survey telescope）,将继续有量级上的提高。

   引力透镜的多重戏法

   然而，引力魔术远不限于多重镜像、爱因斯坦环、引力巨弧和宇宙剪切。它还能改变星系的数目分布（宇宙放大效应）、改变宇宙弥散背景的统计性质等。这些效应也具有客观潜力来实现对于弱引力透镜的精确测量。正在计划中的平方公里天线阵射电望远镜项目（square kilometer array）就具有这方面的能力。在银河系里，引力透镜还有着其他妙用。当一颗恒星和它的行星经过远处恒星与地球的连线时，也会产生引力透镜效应。虽然天体源的位置与形状的改变太小、无法观测，但是引力透镜能够使得源恒星的亮度发生可观改变。这种效应称为“微引力透镜”。通过观测源恒星的光变曲线，就能够推断出地外行星的存在。这已成为发现地外行星的一种强有力的方法。

   引力魔术，在望远镜的神眼之下，在未来终将揭示出更多宇宙深处的奥秘。


   ① 1919年日食测量结果误差很大，是否能够证实相对论，在当时学术界存在争议。要到几年以后，尤其是美国天文学家坎普贝尔1922年更精确的日食测量结果公布之后，那个魔术数字“2”和广义相对论才得到确认。

   ② 引力透镜的名字是爱因斯坦提出的，他还起了另外一个更好听的名字：引力海市蜃楼(gravitational mirage)。爱因斯坦考虑的是恒星造成的引力透镜，1930年代兹维基（F.Zwicky）第一个指出星系也会造成引力透镜，而且更容易测量。

   ③ 第一个完整的爱因斯坦环发现于1998年。这个魔术需要极高的技巧，需要透镜星系几乎严格地位于源星系与地球的连线上。所以很多时候魔术演砸了，源星系会被扯成长条，这类强引力透镜叫引力巨弧。

   ④ 确切地说，是随机天区的弱引力透镜现象。此前，若干星系团背后的弱引力透镜已经被测到。