人類也能擁有上帝視角，宇宙中的天然放大鏡：重力透鏡——《蔚為奇談！宇宙人的天文百科》
- 文／國立臺灣師範大學物理系副教授 李沃龍
重力透鏡的基礎是光在空間中傳播時，因受到區域重力場影響而發生偏折的效應，此效應是愛因斯坦等效原理的直接體現。
想像一下，當你乘坐一臺無窗電梯時可能遭遇的兩種狀況：加速向上與自由落下。當電梯加速向上的瞬間，你的身體因為慣性而靜止於原來的高度上，但電梯硬把你往上推，你會感受到體重似乎驟然增添了不少；另一方面，當你搭電梯下樓時，在電梯從靜止開始下降的瞬間，慣性試圖將你保持在原來的高度上，但當電梯突然下降時，身體失去支撐，你就誤以為身處在自由落下的狀態，重力的牽引倏忽消失，體重好像瞬間歸零。
行星們為什麼會轉彎？
這就是愛因斯坦在 1907 年發現的等效原理：引力造成的效應與物體加速運動時的效應是相等的！
愛因斯坦據此悟出引力其實算不上是一種「作用力」，運動中的物體所感受到的引力大小基本上與其質量無關，而是受到空間彎曲的影響。當空間中存在具有質量的物體時，它就會成為重力場源，並且使周圍的空間彎曲。
空間彎曲的程度取決於重力場源的質量：重力場源的質量愈大，代表重力場的強度愈強，會使空間彎曲得愈厲害。
若將空間視為有彈性的橡皮膜，可看出行星軌道的成因是來自太陽周遭空間被其龐大質量所扭曲，迫使原本直行的行星因應彎曲空間的形狀運動，形成會順勢轉彎的軌道。圖／三民提供
太陽系的行星軌道就可以用這種概念來理解：太陽的龐大質量會造成整個太陽系空間發生彎曲1，當行星在太陽所產生的重力場中移動時，我們以為它們是自己向前直行的，事實上這些行星卻是被迫因應彎曲的空間形狀而運動，順勢轉彎形成各自的繞日軌道。
當位於太陽後面的恆星所發出的光緊鄰著太陽旁邊通過時，其運動路徑會因受到太陽重力場的影響而偏折。由於地球上的觀測者總是想像光是沿直線傳播過來，因此會認定發光的恆星位在直線延伸的正前方。圖／三民提供
光在空間中傳播時，會受到區域重力場的影響而發生偏折，這種現象也可以用相同的方式解讀。由於重力不是一種「作用力」，因此被重力吸引的物質，無論是否具有質量，在向前直行的移動過程中，都會受空間彎曲的影響而順勢轉彎，造成運動路徑的偏折。
愛因斯坦曾經因此預言：「當星光緊鄰著太陽周邊通過時，會受太陽重力場扭曲而偏折。」
此現象在 1919 年天文學家觀測日食的時候被證實為真，愛因斯坦本人更因此而聲名遠播。
擺在宇宙中的天然放大鏡：重力透鏡
重力透鏡成像的基本原理：遙遠光源所發出的光，經大質量天體造成偏折後，在另一端聚焦成像。圖／三民提供
當遙遠光源發出的光行經大質量天體周邊的空間時，會受到該天體的重力場影響而產生偏折，在另一端聚焦成像，這就如同光線通過透鏡時會發生的現象，因此我們將此效應稱為 重力透鏡 。另外，造成光線偏折的天體被稱為透鏡天體，而光線在偏折聚焦後有可能形成光源的多重影像。
重力透鏡產生壯觀的多重影像。圖中透鏡天體的強大重力場，對同一個背景星系製造出3個不同影像，另對一個遙遠的類星體製造出 5 個不同影像。(Image credits: NASA/ESA/K. Sharon (Tel Aniv University)/E. Ofek (Caltech)) 圖／三民提供
任何具有質量的天體，都可能使行經其周遭的光線發生偏折，因此在各種不同尺度上，都可能觀察到重力透鏡的現象。根據尺度與效果的差異，天文學家一般將重力透鏡分為三類： 微重力透鏡 、 弱重力透鏡 、 強重力透鏡 。
微重力透鏡：
當透鏡天體的質量僅相當於恆星等級時，所造成的重力透鏡效應比較微弱，因此被稱作微重力透鏡。
當行星或矮星等暗淡天體經過觀測者與背景光源之間時，會造成背景光源的光度發生增長性的變化，此即所謂的微重力透鏡效應。(Reference: The Planetary Society; illustration design: macrovector/Freepik) 圖／三民提供
由於微重力透鏡天體的重力場不夠強大，一般無法讓我們觀測到微透鏡成像，但足以在光譜上呈現出背景光源光度瞬間增強的現象。天文學家利用這項背景天體光度變化的特性來搜尋分布在銀河系中的暗淡天體，包括黑洞、中子星、白矮星、紅矮星、棕矮星，甚至是系外行星等。
弱重力透鏡：
目前宇宙學的主流模型認為太空中布滿了數量龐大的暗物質。由於這些奇異的暗物質並不與電磁波作用，我們只能透過重力作用辨識它們的存在。
遙遠星系發出的光在穿越廣闊空間抵達地球的途中，必然會遭遇暗物質，因此理論上來說，大多數星系的影像都經過暗物質重力場的扭曲，發生大約 1% 程度的形變，這就是所謂的弱重力透鏡效應。
透過統計星系團的平均透鏡效應，我們不需要知道星系團中個別星系的影像究竟遭受多大程度的扭曲，就能量測弱重力透鏡。為達此目的，宇宙學家必須先假設就整體而言，星系團裡所有的星系大致都呈現橢球狀外觀。另外，還需假設這些星系形狀的方位在太空中隨機分布，並不遵循一定的走向。
左側圖案顯示星系形狀的方位分布並無規律；右側圖案則顯示星系形狀的方位大致朝東北—西南的走向排列。圖／三民提供
倘若該天區真的出現了弱重力透鏡效應，當透鏡會聚光線時，會將所有星系的影像朝某一方向拉伸，這樣一來，該天區星系形狀的方位便會朝某一特定走向排列，偏離原本無規律分布的形態。宇宙學家可據此測量出弱重力透鏡的大小，利用弱重力透鏡效應，做為探測宇宙間暗物質分布的利器。
強重力透鏡：
當重力透鏡效應強大到可讓我們直接看見天體影像的形變或多重影像時，稱為強重力透鏡效應。
(a) 愛因斯坦環；(b) 愛因斯坦十字架；(c) 深空笑臉；(d)Abell 2218 星系團的強大重力扭曲了背景星系的影像，並形成多重影像。(Credits:(a)NASA/ESA/HST;(b)NASA/ESA/STScl;(c)NASA/ESA/JPL¬Caltech;(d)NASA/A. Fruchter (STScI) et al./WFPC2/HST) 圖／三民提供
強重力透鏡通常發生於大尺度的宇宙範疇裡，由質量巨大的星系團與其擁有的暗物質來扮演透鏡天體的角色。當更遙遠的背景星系發出的光通過這些透鏡天體時，往往會被其強大的重力場大角度偏折，星系的影像因而被劇烈扭曲，造就出外形詭異卻異常壯觀的天文奇景，例如愛因斯坦環、愛因斯坦十字架、深空笑臉及多重影像等。
搜尋宇宙早期形成的星系
重力透鏡效應除了作為暗物質存在的直接證據外，更可用來搜尋宇宙早期星系的蹤影。由於重力透鏡的聚焦功能，非常遙遠的大質量星系團基本上就等同於宇宙級放大鏡，有如上帝手中的終極望遠鏡，映照出大霹靂後 5 億年內即已形成的星系影像。
NASA 在 2018 年初宣布，透過星系團 SPTCL J06155746 的聚焦，哈伯太空望遠鏡觀測到在早期宇宙所形成的一個胚胎星系 SPT0615JD 的影像。
胚胎星系 SPT0615-JD 的透鏡影像。SPT0615-JD 在大霹靂後 5 億年內即已形成，是一個質量、寬度皆遠遠不及現代星系的宇宙早期胚胎星系。(Credits: NASA/ESA/STScI/B. Salmon) 圖／三民提供
通常在如此遙遠的深空裡拍攝到的星系都只是點狀光影，無法透露更多早期星系的物理特性。但 SPTCL J06155746 星系團不僅放大了 SPT0615JD 的影像，更將其外貌扭曲延展成一個長約 2 弧秒2的拱形天體。
在分析這個透鏡影像後，天文學家發現 SPT0615JD 的質量不超過 30 億倍太陽質量，約為銀河系質量的 1% ；而其真實大小則不及 2,500 光年，大約只有我們銀河系的衛星星系小麥哲倫雲的一半左右。可見早期星系的性質，與我們銀河系這種現代星系大相逕庭。未來，隨著觀測到愈來愈多這類胚胎星系的透鏡影像，相信我們終能掌握星系形成的祕密！
註解：
- 比起太陽的質量，各行星的質量太小而可忽略。
- 弧秒：arc second，量測角度的單位，又稱為角秒。1 度等於 60 角分，1 角分等於 60 角秒。
——本文摘自泛科學 2019 年 12 月選書《蔚為奇談！宇宙人的天文百科》，2019 年 11 月，三民出版。
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