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《自然》发表天文研究新进展：宇宙放大镜给力观测最遥远的星系

2011-1-13 00:00| 发布者: 123456000000| 查看: 17| 评论: 0

摘要: 编者按：关于“引力透镜”。爱因斯坦的广义相对论预测，光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这种现象被称为引力透镜效应。宇宙中遥远星系发出的光非常微弱，并不容易被观测到，但天文学家可以利用大质量天体的引 ...

编者按：关于“引力透镜”。爱因斯坦的广义相对论预测，光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这种现象被称为引力透镜效应。宇宙中遥远星系发出的光非常微弱，并不容易被观测到，但天文学家可以利用大质量天体的引力透镜效应观测到更遥远的星系。这篇发表于《自然》的文章重点介绍了一项由国家天文台毛淑德研究员和其国际合作伙伴共同完成的研究成果：引力透镜效应比以前认为的更加普遍，尤其在下一代空间詹姆斯-韦伯空间望远镜（JWST）和地基三十米望远镜（TMT）等投入使用之后，利用引力透镜效应，天文学家可以研究宇宙中最早、最遥远的星系。

　　当遥远天体发出的光被前景大质量天体偏折时，即产生引力透镜。据此，天文学家可以发展新方法来估算遥远星系的数量，并测量宇宙中的暗物质。近来，虽然引力透镜效应在天文学中的应用得到了进一步扩展，但《自然》杂志于1月12日发表的由Stuart Wyithe（墨尔本大学）、严皞景（俄亥俄州立大学）、Rogier Windhorst（亚利桑那州立大学）、和毛淑德（中国科学院国家天文台/英国Jodrell Bank天文台）共同撰写的一篇文章试图证明：该方法对观测遥远星系也许比原先认为的更为必要。

　　爱因斯坦于20世纪30年代提出，光线在引力场作用下会发生弯曲。通常情况下，这种偏折是非常微小的；但当光线通过一个巨大质量天体时，周围存在的强引力场使得光线的偏折更加明显，这种类似“凸透镜”效应的天体被天文学家称为为“引力透镜”。当来自遥远星系发出的光线绕过靠近我们的前景“透镜”天体时，光线会在大质量天体附近沿弯曲空间传播，并在视线方向形成放大、增亮、甚至多个的图像。在这个过程里，前景天体充当了“天然望远镜”，使遥远的星系更容易被探测到（如图1所示）。

　　这种效应对天文学家来说并不陌生，事实上一些大质量星系团早已作为“天然望远镜”被用于寻找遥远的星系。毛淑德博士解释说：“引力透镜的放大效应为观测宇宙中微弱的第一代天体及其精细空间结构提供了更好的机会”。引力透镜源并不都由质量很大的天体形成，质量远远低于星系团的单个星系，只要具有足够的质量和密度同样能充当引力透镜。对于诸如类星体这样遥远的背景光源，其多重成象的概率为几百分之一。毛博士及其合作者研究发现，单个前景星系引起引力透镜效应发生的概率或许高于人们原有的估计。

　　追溯宇宙诞生的初期，我们在非常遥远的宇宙深处看到最早期的天体。天体距离越远，光线通过前景宇宙的距离就越长，这意味着越多的前景天体有可能充当引力透镜放大背景光源的图像。利用新型第三代宽视场照相机(Wide Field Camera 3, WFC3)，哈勃望远镜（Hubble Space Telescope, HST）能够观测到在红移8-10处一些最明亮的星系，相当于年龄在650至480万年间的早期宇宙。预计于2014年发射升空的詹姆斯-韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST)不仅能观测到相同红移处更多较暗弱的星系，还能观测到红移更高的星系。下一代大型望远镜计划，例如中国正在参与初期建设的国际三十米望远镜项目（Thirty Meter Telescope,TMT），有望使科学家们可以更好的了解这些遥远星系的星族特征及内部动力学过程。

　　在这篇发表于《自然》的文章中，毛博士和他的同事提出：我们对遥远星系流量的测量和计数，很可能会由于前景星系的放大效应而被显著扭曲。被放大和未被放大的遥远星系的确切比例，取决于天文学家目前还无法确定的多种因素。经过对大量可能性的探索，该小组发现，透镜率的分布范围从百分之几到百分之几十。在极端的情况下，利用下一代JWST望远镜，我们在红移20处所能看到的一切，全部都是被透镜放大的。毛博士解释说：“在处理未来的巡天数据时这将是一个关键的考虑因素。”

　　事实上，已有一些数据表明：近期由WFC3哈勃望远镜进行的近红外深空巡天中，我们正看到上述引力透镜事件的频繁发生。在一年前进行的一项独立研究中，由本篇文章的共同作者严皞景博士带领的研究小组，利用这些数据在红移8-10间发现了大量候选星系。他们的成果于2010年9月发表在中国科学院国家天文台主办的杂志《天文与天体物理研究》上（网址为www.raa-journal.org）。令人费解的是，约20%-30%候选的遥远星系（如图2画圈区域所示）是在前景星系周围发现的，这一现象不能被简单地归结为随机的观测成团效应。这项新研究表明，所观测到的令人意外的高度关联现象与引力透镜的预测是一致的。然而，哈勃望远镜至今为止提供的证据仍是初步的，需要更多如JWST和TMT等一些功能更强大的望远镜，凭借它们在成像和光谱观测上更高的灵敏度来找到明确的答案。毛博士说：“沿着这条路，这些下一代望远镜将为我们提供诸如宇宙诞生初期如我们银河这样的结构如何形成的更精细的图片”。