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苏萌：暗物质的天文学探测(下): kejidaobao 2016-3-21 13:20; 5 如何探测暗物质粒子暗物质粒子的探测在当代基础物理学，包括粒子物理、天体物理、宇宙学等领域是一个很热门的研究领域——宇宙中最主要的一种物质成分到底是什么？这个听起来就激动人心的问题，几十年来孜孜不倦地吊着科学家和公众的胃口。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家试图通过放置在地下实验室的探测装置，屏蔽掉各种干扰来寻找暗物质粒子与普通物质可能发生的相互作用。天文学家们尝试通过地面或太空望远镜对暗物质粒子在宇宙中可能发生的相互碰撞并湮灭产生的次级粒子来间接寻找暗物质粒子存在的证据。粒子物理学家们希望欧洲大型强子对撞机（LHC ）或者未来更大能量的粒子对撞机能够“人工”自制出暗物质粒子来。 5.1 暗物质粒子的直接探测暗物质粒子游离在宇宙中的任何一个角落，地球就是在这样的“暗物质粒子汤”中穿行着。地球上任何一个原子核都有一定的概率被一个暗物质粒子撞一下，虽然暗物质粒子我们看不到，但如果一个原子核无缘无故“身子”晃了晃，那一定是暗物质粒子干的，我们就抓住了暗物质粒子的踪迹。物理学家可以探测这种暗物质粒子与原子核之间的相互作用所释放出的热量或闪光，从而判别碰撞的起源是不是暗物质粒子造成的，物理学家把这种探测方式叫做直接探测。暗物质直接探测试验一般设置于地下深处，地表几百米甚至几千米以下，以排除各种可能造成原子核被碰撞的背景噪声，并且探测装置要经过多种屏蔽处理等降低噪声。这类的实验室包括美国的Soudan 和DUSE 、加拿大的SNOLAB 地下实验室、意大利的大萨索国家实验室等。我们国家在四川锦屏山建设了地下2500 m 世界最深的地下实验室，正在开展PandaX 、CDMX 等暗物质粒子直接探测实验，已经取得了世界领先的研究成果。 5.2 暗物质粒子的间接探测地球上的暗物质探测实验一方面要仰仗暗物质粒子跟普通物质多多少少要发生一些相互作用，如果暗物质粒子真的完全无视普通物质，那这种直接探测实验就无能为力了。另一方面，即便真的看到了无法解释的“碰撞信号”，仍然需要依赖于对暗物质空间分布的模型才能把地球上的测量结果与宇宙整体暗物质特性联系起来——毕竟我们无法在宇宙空间的其他地方重复这样的实验。到底直接探测发现的粒子是不是我们要寻找的主导宇宙物质组分的暗物质粒子？与直接探测实验互补的另一种探测方式的基本思路是：既然暗物质粒子无处不在，我们可以通过望远镜去寻找暗物质粒子在宇宙中发出的信号，这就是暗物质粒子间接探测实验。间接探测主要是寻找两个暗物质粒子互相碰撞湮灭时所产生的讯号。不同的暗物质模型预言暗物质粒子湮灭所产生的末态粒子不同，或者比例不同，比如产生高能伽马射线光子或正反粒子对（比如正负电子、正反夸克等）。针对不同的末态粒子，物理学家和天文学家设计了不同的空间望远镜和探测装置。尽管暗物质粒子在宇宙中无处不在，对暗物质可能产生的带电粒子来说，很难在宇宙中传播的过程中会受到磁场的影响，传播方向发生偏折，一般很难知道探测到的带电粒子是从哪个方向发射出来的，只能通过高能带电粒子的能谱特征来搜寻暗物质的迹象。而伽马射线光子保留了方向的信息，与能谱信息结合起来可以提供更多暗物质粒子的佐证与判据。在星系暗物质晕中的暗物质粒子可以通过一些间接的复杂物理过程产生伽马射线光子。对间接探测手段而言，最重要的在于完全了解背景噪声的来源，从中寻找到可靠的暗物质迹象。美国航空航天局于20 世纪90 年代发射了EGRET 伽马射线望远镜，并于2008 年6 月11 日发射运行费米伽马射线太空望远镜搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件，是迄今为止在伽马射线能段最有效的望远镜。ATIC 实验2008 年发现正负电子的能谱在几百GeV 的能段有一个超出理论预言的鼓包，恰恰符合了大质量弱相互作用粒子的预言，轰动一时。意大利领导的实验计划PAMELA 更是于2009 年就探测到正电子的能谱在高能段的变化，成为一个可能的暗物质信号。美籍华裔科学家丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪（AMS ），也被称为反物质磁谱仪，通过巨大的磁铁把带正电和负电的粒子区分开，主要目的是探测宇宙中的反物质和暗物质。第1 台AMS-01 在1998 年进入轨道，而第2 代价值20 亿美元的AMS-02 于2011 年由航天飞机运送到国际空间站开始观测（这也是航天飞机的最后一次发射），是迄今为止灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段，由16 个国家和地区的600 余名科学家历时近18 年完成，发射4 年多来已经精确地测量了正负电子谱和其他带点宇宙射线的能谱，实验过程可能持续15~20 年。 5.3 用粒子对撞机人造暗物质不论是直接探测还是间接探测，目标都是想办法通过空间或者地面的探测器抓住在宇宙中游离的暗物质粒子的信号。那么为何不自己制造一些暗物质出来研究呢？事实上，粒子物理学家们正在利用瑞士日内瓦附近的欧洲大型强子对撞机（LHC ）寻找暗物质粒子。大型强子对撞机会将大量质子加速到十分接近光速并使它们相撞。这样的粒子碰撞过程通过强大的能量释放产生大量的新粒子。在大量的粒子产物中，有这样的一种可能：在释放出来的新粒子中探测器发现有一束粒子射出，但在另一侧却发现没有粒子出来。发生这种情况就只有一种可能性，那就是出来的粒子是一种探测器无法检测到的粒子形式，这就很有可能是暗物质粒子——比如前文提到的一种暗物质粒子的候选者——大质量弱相互作用粒子。如果这种粒子的确是组成暗物质的基本粒子，并且我们利用大型强子对撞机发现了它，那将是物理学具有划时代意义的发现。然而，如果暗物质并非如大质量弱相互作用粒子理论中所预言的那样，那么或许大型强子对撞机或许就不能检测到它，或者需要更高能量更强大的粒子对撞机。中国正在考虑建设的新一代环形正负电子对撞机（CEPC ），并在第二阶段升级为质子对撞机（SPPC ），届时对撞机能量比目前运行的欧洲大型强子对撞机能量高7 倍，暗物质粒子的寻找也是其重要的科学目标之一。 6 为什么要发射空间天文望远镜研究暗物质由于地球引力作用，几乎全部的大气集中在离地面100 km 的高度范围内，其中75% 的大气又集中在地面至10 km 高度的对流层范围内。在地球表面进行天文学的研究会由于地球大气层的电磁辐射的干扰和过滤而受到限制。太空望远镜的概念最初出现在20 世纪40 年代，天文学家们设想将望远镜放置到太空，因为地球的大气层对许多波段的天文观测影响甚大（图4 ），若能将望远镜移到太空中，便可以不受大气层及地表人类生产生活产生的各种信号的干扰，得到更精确的天文资料。迄今为止，大量的望远镜被发射到了轨道上，数十年来极大地增加了我们对于宇宙的认识。目前已有不少空间望远镜在太空中运行，许多太空天文台已经完成了它们的任务，而另外一些则仍然在运作中。举例来说，X 射线完全不能穿透地球大气层，使得建立在X 射线观测基础上的天文学在地表是不可能的。而现在众多来自美国、欧洲和日本的X 射线望远镜卫星的发射打开了天文学研究的新局面，在高能天体物理的研究中占据了核心的地位，印度也在近期发射了第1 颗X 射线卫星，我国也将在2016 年下半年发射首颗X 射线天文卫星。同样的，红外线和紫外线也被大气层大量阻断，而暗物质粒子探测卫星所观测的伽马射线能段，也只有空间装置可以实现探测的目标。著名的空间天文望远镜包括观测可见光波段的哈勃空间望远镜，观测红外波段的史匹哲太空望远镜、赫歇尔望远镜，观测微博波段的WMAP 、Planck 望远镜，观测X 光波段的钱德拉太空望远镜，观察伽马射线波段的康普顿天文台（已于2000 年退役）与正在运行的美国费米太空望远镜等。即将升空的大型空间望远镜包括计划于2018 年发射的美国航空航天局新一代空间望远镜，计划接替哈勃的天文研究使命。该望远镜以NASA 第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名，目标是寻找宇宙有史以来第一代恒星和星系；WFIRST 则是美国暗能量探索计划之一，旨在寻找并精确测量暗能量、寻找太阳系外行星。 7 中国暗物质粒子探测卫星（DAMPE ）暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中，4 颗科学卫星的首发卫星，也是中国空间科学卫星系列首发星。由中国科学院紫金山天文台等科研单位共同参加有效载荷、科学应用等工程项目研制工作。其科学目标为通过高空间分辨和高能量分辨的精确测量方式，研究高能电子、伽马射线以及宇宙射线的能量和方向，寻找暗物质粒子存在的证据和研究其物理特性，并在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展，是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器。在卫星结构方面，暗物质卫星首次尝试了“科学探测载荷一体化”设计，卫星有效载荷质量1410 kg ，整星质量1850 kg ，载荷平台比达到了3.2 ∶1 。这样的设计减小了卫星体积，降低了重量，大幅节省了发射成本。2015 年11 月9 日，中国科学院重大科技任务局在中国科学院国家空间科学中心组织召开了暗物质粒子探测卫星工程星箭出厂审定会。11 月14 日卫星和火箭从上海航天科技八院起运，驶往酒泉卫星发射中心。12 月17 日，暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心，搭载由中国航天科技集团第八研究院研制的长征二号丁型火箭成功发射，并顺利进入预定转移轨道，标志着中国空间科学研究迈出重要一步。这是长征-2D 型火箭第26 次出征任务，也是长征系列运载火箭的第221 次飞行。 8 国际与国内暗物质研究的现状与展望国际物理学界对暗物质的研究相当重视，美国、欧洲和日本等国家和地区都进行了相应的规划和布局。2007 年，美国自然科学基金会（NSF ）、航空航天局（NASA ）、能源部（DOE ）联合成立的暗物质研究评估小组发布报告指出，宇宙里面暗物质之谜的解决具有极特别的科学意义，并建议美国加大投入，以保持其领先地位。美国国家科学院发布的天文及天体物理2012 —2021 “十年规划”中，暗物质和暗能量是主要的研究方向。美国通过搭载于费米（Fermi ）伽马射线空间卫星上的“大面积望远镜”和位于国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02 ）进行暗物质的间接探测。2008 年，欧洲天体粒子物理联盟所规划的路线图中，暗物质直接探测实验位于其所规划的7 个项目之首。星系分布在更为扩展的暗物质晕的结构当中，这样的图像不仅得到观测的支持，而且被近年来快速发展的宇宙学数值模拟所验证 2009 年发射的普朗克（Planck ）空间观测卫星已经完成了它的使命，并于2016 年年初给出了最新的宇宙学参数的测量结果，包括迄今为止最为精确的暗物质组分的参数测量。欧洲下一步计划在2020 年左右发射欧几里得（Euclid ）航天器，通过观测大量的星系在空间中的分布特性来精确测量宇宙学基本参数（图5 ），从而帮助深入理解暗能量和暗物质的物理特性。而日本与美国合作也于2015 年8 月发射了CALET 探测器，成功放置在国际空间站上属于日本的舱位开展研究。中国对暗物质和暗能量的研究非常重视。揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。我国已经在考虑建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位。中国暗物质粒子探测器（DAMPE ）卫星通过探测来自宇宙空间的高能伽马光子、电子及质子，以实现对宇宙空间中的暗物质的间接观测，而下一代伽马射线卫星盘古（PANGU ）卫星已经在积极的筹划中，将成为首个针对MeV 到GeV 能段的空间探测望远镜，寻找暗物质在这个特殊能段的信号。基于中国未来空间站为平台的高能宇宙辐射探测装置（HERD ）也处于积极的研发中，并已经在技术预研上取得了相当的进展。对暗物质和暗能量的研究是当代基础物理学最前沿的方向之一。天体物理和宇宙学的研究表明，暗物质和暗能量在宇宙的演化过程中起着重要作用。对于暗物质和暗能量进行实验和理论上的探索将大大深化人们对微观世界结构和宇宙演化的理解，并极有可能产生物理学基础理论革命性的突破。在过去的几年里面，中国科学家在暗物质的研究中实现了跨越式的发展，取得了重要的成绩。这些基础让中国跟上了国际前沿研究的步伐，并在某些方面达到国际上先进水平，甚至世界领先。包括暗物质粒子探测卫星在内的实验项目将在未来几年内完成一系列互相关联的探测项目，使中国的暗物质研究能够有机会作出引领世界的贡献。除了中国四川锦屏地下暗物质实验室外，其他正在计划中的科学实验包括在中国西藏阿里地区建设宇宙微波背景辐射观测望远镜，首次实现对北半球暗物质大尺度空间分布的精确探测。这些规划中的科学实验将能够全面探索暗物质的基本属性，期待着下一个10 年，暗物质的探测实验将给人类展现宇宙最神秘的一面。; 个人分类: 栏目：本刊专稿|3671 次阅读|0 个评论

苏萌：暗物质的天文学探测（上）: 热度 9 kejidaobao 2016-3-18 22:08; 暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分，被认为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”，是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视，美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划，开展了一系列相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划，在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步，在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验，暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星，也是中国发射的第1 颗天文卫星， 2015 年12 月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物，有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。 1 怪人兹威基的“狂想” 暗物质这个名字，是一位脾气极其古怪的加州理工学院天文学家在 20 世纪30 年代创造的，他的名字叫弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky ）。他以粗暴的性格和卓越的才华闻名遐迩，经常在讨论问题的时候咄咄逼人，甚至变得气势汹汹，连最亲密的合作者都不愿意单独跟他待在一起。然而兹威基有着敏锐的洞察力，他极富创造力地提出了宇宙中存在“暗物质”的假设。兹威基尝试计算了由数千个星系组成的“后发座”星系团中所有能够被观察到的物质的总量（基本上就是把看到的星系们加起来）。结果他惊讶地发现这些物质的总质量所能产生的引力强度竟然不足以让整个星系团聚集在一起。也就是说这些星系都“跑得太快了”，如此之大的逃逸速度应该早就让这些星系跑出这个集团，这样的话“后发座”星系团就分崩离析而不复存在！你可以把整个星系团想象为一个旋转木马，旋转木马转动得太快，上面坐着的星系们互相之间的吸引力太弱了，早就应该都会飞出去才对！正是基于这些观察，兹威基提出了一项在当时看来惊世骇俗的主张，星系团里必定还存在着某种神秘的“黑暗”物质。这些物质不能轻易被直接观察到，但却同样能够产生引力作用，从而帮助星系聚集在一起而不至于被撕碎。不幸的是，兹威基在当时普遍被同行们认为是怪人一个，被人看不起，在差不多40 年的时间里，兹威基的有关暗物质的推论没有人愿意认真对待。尽管暗物质的话题今天已经为科学家和公众津津乐道，但在 1933 年，几乎没有人愿意相信宇宙中大部分的物质是人们看不到的，大家似乎还是信奉“眼见为实”。兹威基的想法已经超越了他的时代，他的伟大洞察和理论都被搁置一旁，无人问津。既然这种物质既不发光，又不吸收光，也不反射光，人们根本不能直接看到它，找不到更好的名字，物理学们于是就将这种神秘物质称作“暗物质”（图1 ）。如果没有这种神秘物质的存在，宇宙中的星系将分崩离析。迄今为止尽管有数以百计的模型，但没人知道暗物质的本质究竟是什么。图1 哈勃望远镜观测到的一个星系团，暗物质是星系团的主要组成部分，随着质量分布的不同，星系团中大约有数十个大型星系和上千个小型星系构成。 20 世纪初，当物理学家们最初开始了解到原子的结构组成时，他们曾经以为人类即将洞察整个宇宙中一切物质的本质。然而，70 多年过去了，人们才确切地知道今天的宇宙中，暗物质质量所占的比重是可见物质（或者说普通物质——物理学家常常称之为重子物质）的6 倍左右，占到宇宙物质成分的24% 左右（普通物质占4% ），另外72% 左右是暗能量——一种充溢宇宙空间的未知能量形式，导致今天的宇宙在加速膨胀。原本人们很欣喜地认为，整个世界的物理学基础已经被搞清楚了，人类几乎可以到庆功的时刻了，然而在进入21 世纪前竟然被告知在茫茫宇宙中可以看到的物质，或者说自始至终都在研究的东西，只占了相当可怜的一部分。确实，要承认宇宙中95% 以上的物质都看不到而且几乎一无所知，实在令人有些尴尬。大自然似乎出于某种目的，把宇宙的绝大部分美妙地隐藏了起来。当然人类爆棚的好奇心和自信心在宇宙学的这一世纪谜团前正在大显身手。迄今为止，地球上已经建起十几个寻找暗物质的地下实验室，此前美国、欧洲和日本分别了发射了多个空间探测器寻找暗物质来自宇宙空间的微弱信号。尽管科学家们大海捞针似的撒网，暗物质依然悬念重重。 2 什么是暗物质在现代宇宙学中，一般认为暗物质是一种全新的不同于任何我们熟悉的基本粒子。暗物质之所以被冠以“暗”之名，就是因为天文学家迄今为止没有发现这种物质发射出的光子，也就是说暗物质粒子几乎不直接参与电磁相互作用。电磁力是处于电场、磁场或电磁场中的带电粒子所感受到的作用力。大自然的4 种基本相互作用中，电磁力是其中一种，其他3 种是强力、弱力、与引力。光子是传递电磁力的中间媒介，带电粒子倚赖光子为媒介传递电磁力，而电荷是基本粒子的内秉性质。只有带电粒子或带电物质才能够感受到电磁力，发射出光子被人眼或者探测装置看到，这也对探测暗物质粒子的方式提出了挑战。在日常生活所遇到的物质的内部，分子与分子之间彼此相互作用的分子间作用力，就是电磁力的一种形式。暗物质不直接参与电磁相互作用，对我们熟悉的日常生活的物理化学过程，暗物质可以说完全不会产生任何影响。事实上，天文学家估计每秒钟都会有成千上万的暗物质粒子穿过人体，但是在暗物质粒子的“眼中”，人体几乎是是透明的。现在主流的暗物质粒子的理论假说认为，暗物质粒子与人体中所含氢、氧、碳、氮等元素的原子核发生碰撞的机率大约只有数十次每天，而且这种暗物质粒子与人体的直接相互作用不会被人体察觉，更不会有任何有害的后果。事实上，有一种寻找暗物质粒子的方法，就是用专门的探测装置去寻找暗物质粒子与核子可能发生的碰撞事件，从而了解暗物质粒子的相关属性，我们把这种手段称之为暗物质粒子的“直接探测”——暗物质粒子虽然看不见，但是这种碰撞就真真切切地发生在这个实验装置里。然而，当两颗暗物质粒子相互撞击时有可能会发生“ 湮灭反应”——两个粒子抱在一起粉身碎骨，释放出大得多的能量。如果暗物质粒子的质量像现在的主流理论所认为的，是质子的数百倍，那暗物质粒子碰撞时发出的能量将是可见光光子能量的一千亿倍。如果这种湮灭反应发生在人体内，它将可能导致对人体有害的突变。当然，发生这种事件的概率是非常低的。迄今为止，人们只能通过宇宙中广泛分布的暗物质结构的引力产生的效应得知（而且已经发现）宇宙中有大量暗物质的存在。现代宇宙学是新兴的一门重要的基础交叉学科，是通过对宇宙自身以及宇宙中天体的观测结果，结合现代物理学的基本认知，研究宇宙大尺度的结构起源与演化等基本问题的学科。宇宙学的研究对象是天体运动和它的第一起因，在人类历史相当长一段时期曾是形而上学的一部分。作为现代科学的重要组成部分，宇宙学起源于哥白尼原则和牛顿力学，它们指出天体和地球上的物体遵守同样的物理原理并解释了天体的运动。一般认为，现代物理宇宙学起源于20 世纪的爱因斯坦广义相对论和对极远天体的天文观测，对暗物质的研究更是现代宇宙学和粒子物理学的重要课题之一。为了解释暗物质，早期的理论认为暗物质可能是宇宙中未被观测到的由普通物质形成的大质量天体，比如大质量的致密的天体，包括黑洞、中子星、老年的白矮星等，但根据观测实验的结果，这些天体的质量不足以解释暗物质在宇宙中的物质里所占的较大的比例。另一些理论主要通过修正引力理论来解释和暗物质有关的观测现象，比如修正的牛顿动力学理论等理论。而目前科学界对暗物质解释的主流观点认为，暗物质是非重子的亚原子粒子，其粒子属性的认证与研究贯穿宇宙学研究数十年，依然是未解之谜。 3 为什么相信暗物质存在 20 世纪物理学与探测技术飞速发展，使精确研究宇宙的起源与演化成为可能。现代天文学通过“引力透镜效应”、宇宙中大尺度结构的形成、宇宙微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。现代宇宙学中各项独立的观测实验证据，包括对旋涡星系旋转曲线的测量、“子弹头”星系团的研究，引力透镜效应，宇宙中大尺度结构，宇宙微波背景辐射等的观测等，均表明宇宙中存在着具有引力效应但不发射或吸收电磁波（包括可见光）的物质，即暗物质。占宇宙总量较大比例的暗物质和暗能量（导致宇宙的加速膨胀的宇宙组分）的实质是什么，这是当今物理学的两大谜团。 3.1 爱因斯坦引力透镜效应根据爱因斯坦的广义相对论，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，光线经过邻近区域时会向大质量天体发生偏折，产生汇聚效应。如果从观测者到背景光源的视线上有一个大质量的前景天体（比如暗物质主导的大质量星系团），有时会看到在光源的两侧呈现两个像甚至多个像，就好像有一面凸透镜放在观测者和所观测天体之间一样，“引力透镜效应”（图2 ）因而得名。顾名思义，引力透镜是因为光的路线被引力改变了。而引力是所有东西所共有的性质（只要是存在于宇宙里的东西，没有无引力的），所以，引力透镜到处都是。一般来讲，当透镜天体正好位于背景和观测者中间的时候，透镜的效应最强。图2 强引力透镜效应通过分析背景光源的扭曲程度、多个像的位置和特性等，可以帮助我们研究中间作为“透镜”的物质分布的性质。根据尺度与效果的不同，引力透镜效应可以分为强引力透镜效应、弱引力透镜效应和微引力透镜效应。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像，甚至圆弧（又称“爱因斯坦环”），而弱透镜区域则只产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析，可以估计测量透镜天体质量，得到暗物质的质量和空间分布信息。暗物质是宇宙的主要组分，是普通物质总量的6 倍左右，它的引力作用与常见的物质是一样的，不可避免地产生引力透镜效应。所以通过分析引力透镜来测定星系团里的暗物质分布，测定大尺度上的暗物质分布是现代宇宙学中重要的研究暗物质的手段。 2006 年美国天文学家利用钱德拉X 射线空间望远镜对一个叫做1E0657-558 的星系团（即“子弹头星系团”）进行观测，无意间观测到两个星系团高速碰撞的过程（图3 ）。星系团之间的碰撞威力之猛，使得两个星系团的暗物质相互穿越的同时，发出可见光的正常物质被甩在身后，天文学家发现引力透镜观察到的物质分布跟发光物质分布明显不同，从而证明暗物质是星系团中的主要物质成分。图3 1E 0657-558 中两个星系团之间的相互碰撞（被形象地称之为“子弹头星系团”）为科学家们提供了有关暗物质存在的强烈证据，图中蓝色代表通过引力透镜的方式测量到的暗物质分布，红色展示的是通过美国钱德拉X 射线空间望远镜测量到的普通发光物质的空间分布。可以明显看到引力透镜观察到的物质分布跟发光物质分布明显不同，证明暗物质是星系团中的主要物质成分。 3.2 星系的旋转曲线另一个令人信服的暗物质存在的证据，来自于对我们银河系及附近近邻星系的观察。在兹威基提出暗物质的概念40 年后，美国女科学家VeraRubin 和其同事Kent Ford 在20 世纪70 年代开展了对仙女座大星云（M31 星系）旋转曲线的研究。运用此前改进的观测技术，他们可以探测到距离星系核区域数十光年的星体的径向运动速度。按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区（就像我们看到的M31 星系发出的可见光所展示的那样），星系外围的星体的旋转速度将随着离星系中心越远而减小。但观测结果确表明，在相当大的范围内，星系外围星体的速度几乎是恒定不变的——再次出现了兹威基发现的类似现象：仅凭望远镜看到的“可见物质”，远不足以把外围的星体拽住——至少需要10 倍以上的质量才能把这些恒星拴在M31 星系中，它们实在转得太快了。既然仙女座星系没有分崩离析，要么意味着牛顿万有引力定律在星系这样的大尺度上是不正确的、需要修改，要么意味着在星系非核心区的更广阔范围内分布有大量的不发光物质，也就是暗物质。他们的工作启发了大量的后续研究工作，现在天文学家认为每一个星系，无论大小，都被各自的暗物质晕团团围住，甚至有些质量小的“矮星系”，暗物质的总量要超过普通物质的1000 倍以上。如何解释不同星系尺度的“旋转曲线问题”是形形色色暗物质理论必须克服的困难。 3.3 宇宙大尺度结构宇宙大尺度结构在物理宇宙学中是描述可观测宇宙在大范围内（典型的尺度是10 亿光年）质量和光的分布特征。近年来大天区星系巡天的结果显示，宇宙似乎显示一种“网状泡沫”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，其间分布的星系密度要少很多，天文学上称为“空洞”结构。这些空洞的体积巨大，有些直径可达3 亿光年，尽管看上去那里确实是什么也没有，但实际上天文学观测证明这里充斥着暗物质。对宇宙进一步的研究看到，巨大的像是气泡的空洞分隔开了片状的物质结构和星系纤维，而超星系团就像是其中偶尔相对出现的密集节点。这种网络结构在宇宙学星系红移巡天可以清楚地看见。在星系巡天观测的三度空间图的结构中显示出迄今所知道宇宙的最大结构。所有这些结构的形成都离不开暗物质的帮助，可以说，暗物质是形成我们宇宙中丰富多彩的结构的重要基石。 3.4 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射（CosmicMicrowave Background ，CMB ）的研究在现代天文学、宇宙学以及高能物理学的发展中起着举足轻重的作用。CMB 是宇宙大爆炸遗留下来的微弱光子辐射场，携带着丰富的宇宙学信息，几乎是人类认知极早期宇宙演化的唯一有效途径。CMB 的发现不仅在半个世纪前开创了宇宙学，近年来对它的精确测量更是将人类带入“精确宇宙学”时代。 CMB 的测量对探索当代宇宙学、高能物理及基础物理学最前沿问题，例如宇宙加速膨胀及“暗能量”的物理本质、“原初”引力波的探测、早期宇宙暴胀过程的物理机制等起到了核心作用，是最为精确有效的宇宙学“探针”。对CMB 温度场空间各向异性的观测研究，极大地推进了人类对宇宙物质组分及早期演化的认知。宇宙微波背景是宇宙大爆炸后遗留下来的热辐射，它是一种充满整个宇宙的电磁辐射，其特征和绝对温标2.725 K 的黑体辐射相同，频率属于微波范围。1964 年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现宇宙微波背景，并于1978 年获得诺贝尔奖。CMB 显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异。宇宙在年轻时期，恒星和行星尚未形成之前，等离子与辐射充满着整个宇宙，随着宇宙的膨胀而逐渐冷却。当宇宙冷却到某个温度时，质子和电子结合形成中性原子。这些原子不再吸收热辐射，因此宇宙逐渐变得透明起来。对CMB 的观测显示宇宙中暗物质的组分是可见光普通物质组分的6 倍左右，跟大尺度结构的观测结果相吻合。 4 暗物质粒子可能是什么暗物质的候选粒子必须满足电中性、与物质的相互作用很弱等特性，不然就已经跟众多研究暗物质的实验和观测结果冲突了。在现有的标准粒子模型中，似乎只有中微子满足条件。实际上，中微子曾经是“热暗物质”模型的候选粒子。热暗物质粒子的质量较小，若中微子作为宇宙的主要组分，则在宇宙早期结构形成时，中微子在大尺度的范围上运动会“抹平”宇宙中正在形成的结构，从而使宇宙中的物质先在更大的尺度上形成结构（如超星系团结构），然后再“碎裂”成更小的结构（如大大小小的星系），即所谓的“从大到小”的顺序，有点“顶层设计”的意味。然而，这与此前介绍的、通过对宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构演化的观测发现的“从小到大”的顺序完全不符。同时，大量宇宙学的观测数据将中微子总质量限制在宇宙总质量的1% 以内，而我们知道暗物质占宇宙物质的1/4 左右，这说明中微子最多只能占暗物质的一小部分。这样一来，在标准粒子模型里便没有符合暗物质特性的候选粒子。因此，人们兴奋地尝试着拓展或建立超越标准粒子模型的理论，提出可以解释暗物质的候选粒子新理论。如前所述，为了与宇宙大尺度结构形成的观测和数值模拟结果相符合，人们提出了冷暗物质模型。对于冷暗物质粒子，它们的质量较大，运动速度缓慢，远远小于光速。因此根据冷暗物质模型，宇宙结构是自下而上，从小到大一级一级慢慢形成的，小型的天体先在自身的引力下通过气体冷却丢失掉系统的角动量形成结构，然后又相互在引力作用下并合起来，逐渐形成大的天体结构，使得宇宙结构按照“从小到大”顺序演化，这与观测的结果定性上相符合。在众多可能组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（Weakly InteractingMassive Particle ，WIMP ）的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于它们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。大质量弱相互作用粒子顾名思义，主要参与弱相互作用、引力相互作用或其他某种可能存在的新型相互作用，具有较大的质量，运动缓慢。WIMP 粒子的候选者主要为“ 超对称理论”下的中性微子（neutralino ）、超对称中微子（sneutrino ）和引力微子（gravitino ）等。超对称理论作为标准粒子模型的拓展，几乎使得所有已知的基本粒子都有了可能的对应粒子，从而拓展了潜在未知粒子的数目。而这些标准模型粒子的“伴子”由于某种猜想的基本物理特性，其质量可能极大。通过检验超对称理论对标准粒子模型进行拓展后的粒子，可以发现一些粒子能够作为暗物质粒子的候选者，这些粒子均为电中性，有较弱的相互作用。其中，中性微子是超对称理论下最合适的WIMP 候选粒子。在标准模型的超对称拓展中，中性微子为最轻的超对称粒子，这保证了它的稳定性，不会轻易衰变，从而能够作为在宇宙中占据较大比例的暗物质的候选者。轴子的质量很轻，但数量足够多便具有冷暗物质的行为，因此轴子是冷暗物质粒子的一个候选者。还有一种被理论物理学家很早就提出来解决强相互作用中所谓“CP 问题”的粒子，被称为轴子，长期以来也是理论物理学家追逐的对象，被认为也有可能是暗物质的成分之一。除了冷暗物质模型外，人们还提出了“温暗物质”模型，这个模型综合考虑了冷暗物质和热暗物质对宇宙结构的“从小到大”和“从大到小”的贡献。这个模型下的候选粒子主要有惰性中微子（Sterile Neutrinos ）等。除了这些暗物质候选粒子中闪耀的“明星”理论，还有成百上千种各具特点的暗物质理论。理论的蓬勃发展为探索暗物质打开了一道又一道大门，呈现出生机勃勃的发展状态。说到底，我们并不知道暗物质是什么，我们必须打开思维的局限，反复的审视甚至自我否定，因为一切皆有可能。; 个人分类: 栏目：本刊专稿|5288 次阅读|12 个评论

2015年最珍贵的照片: 热度 25 lxu2800 2015-12-23 10:25; 引力透镜为2015年带来了最珍贵的照片就在几天前（2015年12月17日）NASA公布的照片受到了高度关注。今年是伟大的科学家、思想家爱因斯坦完成广义相对论整整100周年，NASA公布的这张照片把纪念活动推向高潮并划上了完美的句号。12月11日，哈勃空间望远镜在科学家预测的特定方位和确切的时段里捕捉到了宇宙深处难得一见的超新星爆发过程。科学家进行分析和预测的基本理论就是广义相对论，整个项目也涉及到星系团天体物理、超新星及暗物质等多个专业领域，物理意义极为重要，所以这张照片应该被评为本年度最为珍贵的照片（没有之一）。如果有人不认同我的观点，要给我带上“标题党”的帽子对我口诛笔伐，我也没有意见，但条件是必须坚持读毕全文，我的承诺是在本文中尽量使用浅显的语言，并保证不夾带任何数学公式，这够公平了吧？故事得从2014年11月10日说起，哈勃望远镜在当时获得了一颗超新星的四个景象，详见图一中箭头指示的四个黃色亮点。这四个亮点是同一颗超新星 SN Refsdal 在空间产生的四个重复的景象，这和照相机的低劣镜头引起多重成像非常相似，问题是太空中哪里有光学镜头呢？图一：超新星 SN Refsdal 在空间产生的四个重复的景象，2014年11月。看了下面的照片就容易理解了，位于地球外层空间的哈勃望远镜（图二的左下角）正在观察研究右上角遥远星系中的一颗超新星SN Refsdal 。这颗超新星的光线要通过方框中的星系团（ galaxy cluster MACS J1149+2223 ）方能到达哈勃望远镜。该星系团中的许多质量巨大的星体和暗物质产生强烈的引力场，光线通过它们时就被扭曲偏转就如透过玻璃凸透镜一样，物理学家把这种现象称为引力透镜。图二：引力透镜的简单图解。从超新星SN Refsdal出发的光线被星系团引力场偏转成三组，其中第三组在进入星系团内部的一个椭圆星系后其四束光线被其中的引力场再一次偏转，形成超新星的四个景象，详见图二下部放大后的细节。这就是哈勃望远镜在去年十一月拍摄到的图片。需要注意的是，这不是一颗超新星裂成四块，它们是超新星SN Refsdal完全相同的四个景象。假设把这颗超新星换成一棵相同大小和同等亮度的圣诞树，那么经过引力透镜我们会在太空中看到完全相同的四棵圣诞树。实时观察到超新星爆发过程已经非常难得，而能看到超新星的四个景象则更为不易，但更重要的是透过现象，科学家对这个星系团（MACS J1149+2223 ）内部的结构和引力透镜的作用机理有了更为深入的了解。在此基础上经过进一步的分析计算，他们认为应该还有两组光线会通过不同路径到达地球附近，由于路径的长途不同，它们到达地球的时间也有先后。除了前文提到的第三组以外，其中第一组光线应该早在20前就可以被观察到，可惜这已成过去，这里就不作讨论了。最重要的是第二组光线，经认真反复计算，确认它们应在今年十二月到达地球附近，并于明年（2016年）的年中到达亮度的高峰，由这组光线构成的这颗超新星的景象在太空显现的确切位置也被计算了出来。于是从今年十月起，哈勃望远镜受到新的指令开始聚集星系团（MACS J1149+2223 ），天体物理学家们及相关人员都在等待激动人心的一刻。终于在十二日十一日哈勃望远镜传来了这张今年最为珍贵的照片（见图三）。图三：2015年12月11日哈勃望远镜传来了这张今年最为珍贵的照片。需要再次指出，这个在不同位置不同时间看到的两个景象实质上是完全相同的一颗超新星，由于阻挡在超新星前面的星系团的引力透镜效应，使得观察者前后两次在不同的方位上看到了同一颗超新星的爆发过程。如果我们不考虑观察物大小和亮度的限制，把一个产妇的放在超新星位置上，经过以上相同的引力透镜我们在天体不同的方位上看到同一个嬰儿前后落地诞生了两次，这不是录像重播，而是同一真实物理事件在不同地点被先后观察到两次！“花儿凋谢不再开，光阴一去不再来。”这句谚语不是绝对正确的，即使是那同一朵花儿凋谢后还可在别的方位上被观察到再次含苞待放，天体中的引力透镜就能产生这样的物理效果。这项科研充满了戏剧性，科学家在历史上首次事先预告了超新星出现的方位和显示的正确时间，这颗遥远的超新星竟然在规定的地点和规定的时间里出现在哈伯望远镜里，超新星被科学家双规了！其背后的科学意义非常重大。我们至少可以把它们归结为以下三个方面。第一是对引力透镜有了更深入的研究和了解。按广义相对论的描述大质量天体必然导致周围时空的畸变，光线穿行时沿弯曲空间的短程线转播而引起弯曲，因而对其背后的天体发出的光线起了凸透镜的作用。而去年11月10日看到的这颗超新星经过引力透镜后生成四个景象又被称为爱因斯坦十字（Einstein Cross），是引力透镜效应最著名的例证之一。由此可知广义相对论对引力的描述更为完整精确。第二是加深了对暗物质的了解。没有暗物质的参与，该星系团（MACS J1149+2223）构成的引力透镜不足以造成我们观察到的这些现象。科学家在构建计算模型时已经加入了暗物质的因素。通过此番多次的预测、观察和校正，让研究人员对暗物质在星系团内的比例和大致分布有了更深入的认知。事实上该项研究远末结束，研究人员正继续跟踪这颗超新星SN Refsdal，观察它高峰期的亮度和光谱特征，以进一步验证他们已有的模型和计算程序，他们还要面对更多更难的工作。第三是对超新星有了更深的研究。超新星（英文名：SuperNova）不是一颗新的星，超新星就是一顆爆炸了的恒星，它是大质量恒星演化后期的必然产物。进入老年期的恒星在其核燃料渐渐耗尽后，它不能产生足够的热量来平衡自身巨大的向心引力，从而导致恒星本体向中心急剧的坍缩。这种快速急剧的引力坍缩把恒星内部一切物质紧压成高温高压状态，最后点燃新一轮更为激烈的热核反应。“鸟之将死，其鸣也哀；星之将尽；其状亦美”，恒星归葬时的礼花常常会比一亿个太阳还亮，在恒古的长夜中可维持几天甚至数月之久。对于遥远的星球上的观察者它就如同一颗突然诞生的明亮而又短命的新星，因而称之为超新星。超新星维持的时间短，而且多数离开我们太遥远亮度不够，所以实时观察到它们非常不易。这颗SN Refsdal虽然离开我们极为遥远（90亿光年外），但因为引力透镜的聚焦效应，大大加强了到达地球时的亮度，而且引力透镜效应使得我们又有了不止一次的观察研究的机会，这对于超新星的研究十分有益。总而言之，这项科研意义重大，又极富戏剧效果。预言SN Refsdal重现的论文我觉得真是牛得可以，我把论文结论的第六点直接抄录于下，请诸位自己判断吧。 6. All models predict that an image of ‘Refsdal’ will appear near the SX/1.2 location between the submission of this paper and the beginning of 2016. The most likely time for the peak is the first trimester of 2016. Given the long light curve of ‘Refsdal’ and the predicted brightness of SX/1.2, the image could be visible as soon as MACSJ1149.5+2223 is visible again by HSTWFC3 at the end of October 2015. 科学的真正意义不仅是解释宇宙中千变万化的复杂现象，更重要的是从中发现规律，并由此作出常人经验之外的惊人预言。这才是科研的目标，这样的论文才能使人心服。论文的全文链接 http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/heic1525b.pdf T. Treu是论文的第一作者也是该项目的负责人，他是我母校UCLA天文物理系教授，应该也算是我的同系同事吧（不过我退休时他还没有加入我系教职梯队，我又在为自己脸上贴金了。）但他的团队中有好几位来自中国的学者和学生，他们至少是我的同胞和同事吧，这样一想我还是很高兴，我为他们出色的工作倍感自豪。致谢：全部图片来自NASA和ESA。上星期四当NASA的有关研究成果报导一岀来，我的好友王博士立即于第一时间通知了我，并对此新闻的科学价值作了初步评估。我把手中所有其它工作略作处理后就暂放一边，全时日投入对本专题资料的收集整理和阅读消化。其间多次半夜启动热线电话就有关疑点向王博士请教，严重影响了他正在专注的研究工作，在此一併致谦和道谢。他还鼓励我应就此专题再写续篇，把理论和技术问题作较深层次的介绍，这大概也可算是我的 New Year's resolution吧，不过历年来我的新年期望常常是：“恋树湿花飞不起，愁无比，和春付与东流水。”明年又能有什么不一样呢？我年初写有一篇 “超新星SN185与后汉书” 的博文，有兴趣的可以一读。超新星Refsdal以挪威天文学家Sjur Refsdal命名，以记念他早在1964年提出用超新星经引力透镜成像的时间延迟来研究宇宙膨胀。虽然第一组光线到达地球的时间在二十年前，已经丧失实时观察机会，但天文物理有关机构应有过去太空的档案照片。但经分析计算，由于第一组光线过于微弱，应该无法留下景象纪录，这一点与档案照片核对结果一致。图三是经艺术加工后的宣传照片，这里是学术报导中的照片供比较参考。图四：下图摄于2011年，什么也看不见；中图摄于2015年4月，超新星SN Refsdal展现四个完整景象（分别为S1-4），亮度至高峰；上图摄于2015年，在SX（New Image）处发现SN Refsdal的新景象，原先的四个景象S1-S4淡出视野。引力场源对位于其后的天体发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应。因类似凸透镜的汇聚效应，因而得名。引力透镜效应是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，使光线在大质量天体附近发生弯曲（光线沿弯曲空间的短程线传播）。如果在观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体则在光源的两侧会形成两个像，就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样，这种现象称之为引力透镜效应。对引力透镜效应的观测证明阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论确实是引力的正确描述。详见百度：http://baike.baidu.com/view/50113.htm; 个人分类: 科普集锦|22098 次阅读|48 个评论

黑洞的引力透镜效应: qianlivan 2011-11-17 11:19; 引力透镜的观测这些年来蓬勃发展，除了传统的用射电干涉的方法获得强引力透镜图像以及在星系团中寻找"光弧"，还有对银河系核球中恒星进行监测的寻找微引力透镜事件的观测项目，如OGLE。我一直以来的一个疑问是，为什么不考虑双星系统中的引力透镜效应。之前老师和同学们都含糊其辞（或者本人愚钝，无法理解），我从未想明白其中的原因。我之前的想法是，视线在其轨道平面内的双星系统不够多；双星间距离较近，不能产生显著的引力透镜效应。现在看来，第二点是主要的。这点从前面《太阳为透镜》（ http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=117333do=blogid=500560 ）的博文就可以看出来。太阳的最小的焦距是550AU，大部分恒星的焦距大约都是如此，所以只有非常松散的双星系统才会有引力透镜效应。而这样的系统公转周期非常长，我们很难发现这样的双星系统。我们把问题修改一下，如果双星系统中有一个太阳质量黑洞，情况会如何？可以计算这个黑洞的焦距在这个公式中可以明显地分离出黑洞的史瓦西半径，注意到$r\gtrsim 3r_S$和史瓦西半径相差不大，所以$d\gtrsim 5r_S$。也就是说只要双星系统中有黑洞就会有引力透镜效应。不过，另外一颗星和黑洞的距离不能太近，否则就会充满洛西瓣（洛西瓣半径和两颗星之间的距离同量级），产生向黑洞的吸积，发出的光会掩盖引力透镜效应。太阳的半径大约是700,000千米，所以如果太阳有一颗黑洞伴星位于700,000千米距离之外，此黑洞就会对太阳发出的光产生汇聚（关于黑洞引力透镜效应的公式可以参考Virbhadra, Narasimha, Chitre 1998, AA, 337,1）。所以，一个距离不是特别近的含有黑洞的、轨道平面平行于视线的双星系统应该有引力透镜效应。但是这样的系统需要对众多恒星进行时域巡天才能被发现。; 个人分类: 思考|7043 次阅读|0 个评论

太阳为透镜——听Claudio Maccone博士报告: qianlivan 2011-10-24 20:14; 大家对引力透镜一般都多少知道点，也大都看过远处类星体的引力透镜多重像，这些现在已经不是虚幻，而是天文中比较确定的观测事实。不过估计少有人会思考太阳的引力透镜效应，或者只是在哲学的层面上思考这个问题。今天听了国际宇航学院太空科学探索技术部主任Claudio Maccone博士的报告，这个报告让人眼前一亮。 Maccone博士今天报告的题目是“FOCAL space mission to 550 AU and beyond”，一眼看上去，几乎每个人都会疑惑，为什么是550AU？答案是这个距离是太阳作为引力透镜的最小焦距，如果我们在这个距离和比这个距离远的地方放置一个射电望远镜，我们就可以利用太阳的引力透镜效应观测远方的天体。这是个相当有意思的想法，当然也可以考虑太阳系其他天体的引力透镜效应。光在质量M的天体的引力场中的偏转角为这个角度和天体半径以及焦距的关系为上两式消去$\alpha$可以得到焦距如果计算一下就会发现一件神奇的事，太阳的焦距最小！所以550 AU是我们在太阳系里利用太阳系天体引力透镜效应至少需要达到的距离。如果我们现在在550 AU或者更远的地方有了一个天线，我们就可以利用太阳这个强力的透镜研究远方天体了。有三个可能的目标：银河系中心的黑洞、距离太阳最近的恒星alpha Cen A以及地外行星。到此，天文学家可能就会止步了，能研究银河系中心的黑洞就已经不错了。但是研究技术的人会走得更远，他们想到的是，把太阳作为一个放大器发射信号到深空。如果我们要发射一艘太空船到离太阳最近的恒星，这个想法就是必要的，这可能是唯一的一种我们能与这艘我们发射的非常保持通讯联系的方案。今天报告的想法很多听起来像科幻，但是按照Maccone博士的说法，这些想法你应该写下来，提交给某些机构，批不批，管他的，反正这些想法迟早会实现的。如果不写下来的话，这些想法就无法保留下来。我比较认同这种观点。今天还学到一个有用的概念，应该是误码率之类的东西，英文叫BER（Bit Error Rate），可以用这个式子计算 $$ {\rm BER}(d,\nu,P_t)=\frac{1}{2}{\rm erfc}\left(\sqrt{\frac{E(d,\nu,P_t)}{N_0}}\right) $$ 其中$E(d,\nu,P_t)$是发射能量，$N_0$是噪声对应的能量。这对于估算某种通讯方式是否可行非常有用。 2011年10月24日; 个人分类: 知识|4510 次阅读|0 个评论

引力透镜和弯曲的光线: jiangxun 2010-8-24 09:58; 作者：蒋迅 1919年11月6日下午，在伦敦的古皇家学会总部的优雅会议室里，欧洲最重要的物理学家和天文学家聚集在这里仔细地听着两位著名学者克罗姆林 ( Crommelin ) 博士和爱丁敦教授 ( Eddington ) 描述他们在巴西沿海和西非沿海的最新的观测的研究结果。他们选择了一些平时只有在黑天才能观测到的星星，然后在日食发生时拍下了一些它们的照片。这看起来似乎很平常，但是当他们检查这些照片的时候，他们发现，它们的位置并不是在它们应有的位置上，而是好像突然跳到一边去。当然这是不可能的事情。但他们的观测却证明这实实在在地发生了。地球上或者宇宙中发生了什么呢？这时在听众中有一个人对这样的结果一点儿不惊讶，他就是爱因斯坦 ( Einstein ) 。事实上，他感到无比的放松和喜悦。爱因斯坦早在他们观测之前就已经知道他们将会看到什么。早在1915年爱因斯坦就断言，当来自遥远的星球的光线从太阳边掠过时，光线会发生弯曲。对于地球上的观测者来说，这就好像遥远的星球移动了似的。爱因斯坦甚至预测了星球移动的距离。这个示意图跟当年爱因斯坦画的草图几乎完全一样现在，爱因斯坦的理论被称为广义相对论 ( general relativity )。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。作为广义相对论的一个应用，它可以说明光线在引力场中的偏折会形成引力透镜 ( gravitational lens )现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。这就是克罗姆林和爱丁敦报告的结果。爱因斯坦十字引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观测者与遥远的观测天体之间还存在有一个大质量天体，当观测天体的质量和相对距离合适时观测者会看到多个扭曲的天体成像，这种效应被称作引力透镜。受系统结构、尺寸和质量分布的影响，成像可以是多个，甚至可以形成被称作爱因斯坦环的圆环，或者圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发现的，至今已经发现了超过一百个引力透镜。其中比较有意思的一个就是1985年发现的“ 爱因斯坦十字 ( Einstein cross )：同一个天体在引力透镜效应下的四个成像”。在爱因斯坦十字中，背景光源是距离地球80亿光年的一个类星体，而产生引力场的是其正前方距离地球约4亿光年的另一个星系。类星体的光线因引力透镜效应形成四重影像，对称分布于前景星系的核心四周，与其组成一个近似的十字形，故此得名。还有一个叫做爱因斯坦环 ( Einstein ring )。这是指一种由于光源发出的光线受到引力透镜效应的影响，而使观测所得的光源形状改变的现象。第一个完整的爱因斯坦环是在1998年由曼彻斯特的天文学家利用美国航天局的哈勃空间望远镜 ( Hubble Space Telescope )观测到的。它的直径都可以用数学表达式写出来：这里， G 是引力常数， M 是透镜的质量， c 是光速， d L 是到透镜的角直径距离， d S 是到光源的角直径距离， d LS 是从透镜到光源的角直径距离。不过，观测象爱因斯坦十字和爱因斯坦环这样的天象并不容易，尽管人们已经知道它们的位置。本人认为，哈勃空间望远镜是美国航天局最意外成功的项目，也是全世界天文学家合作的典范。2009年5月，美国航天局派遣七位美国宇航员搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机对哈勃望远镜进行了维修和更新，经过几个月的调试，航天局在9月9日公布了哈勃望远镜反馈回来的一些新照片，以证明更新设施对它的功能卓有成效。其中一张照片显示有一组星云呈现龙体形状，整个星云为狭身形，并有尖细的尾巴。我在“ 宇宙中的两个龙状星云 ”一文里介绍过它。在浩浩太空中怎么会有这样的天象呢？ Abell 370星系团中的龙状星云原来，这个龙状星云位于 Abell 370 星系团中，距离太阳系有50亿光年。龙状星云其实有一点欺骗人类的眼睛。Abell 370星系团(菊黄色椭圆的那些) 产生了引力透镜效应，由于恒星的巨大引力而使光线弯曲，于是放大了背景中的星系。龙头 (红色的，其中有蓝色的恒星) 就是其中的一个星系。在龙头的上面有三或四个星系，它们实际上是龙头星系的镜像。 90年前，科学家们还只能在地面上借助于日食观测引力场中光线的偏折效应，相信爱因斯坦的断言的人屈指可数。而今天全人类都已经接受了广义相对论；四百年前第一架望远镜出现，而今天人类已经能够在太空中建设巨大的望远镜，把视野扩大到了数十亿光年之外的星体。类星体引力透镜 Source: http://www.astro.caltech.edu/~george/qsolens/ 2010年7月，第一颗类星体 (Quasar) 引力透镜被发现。上面的照片显示，一个星系被挡在了一个类星体的后面。由于这个类星体的引力作用，两个镜像分别出现在类星体的左右两边。; 个人分类: 航天|6984 次阅读|4 个评论

色散的引力透镜: qianlivan 2010-2-26 13:36; 在经典引力理论中，光在引力场中是没有色散的，不同颜色的光受到的引力偏折相同。因而点源在不同波段的引力透镜的像是重合的。但是如果考虑到量子效应，光子的质量不为零，那么光在引力场中也会有色散，引力透镜的像也会有色散。假设光子有静质量$m$，能量为$E$的光子在质量为$M$的点质量引力场中的偏转角$\theta$满足（Accioly \ Paszko 2004） \begin{equation} 2\left(\frac{GM}{b}\right)^2=\frac{1-\cos\theta}{\left(2+\frac{m^2}{E^2-m^2}\right) +\frac{8}{3}\left(1+\frac{m^2}{E^2-m^2}\right)(1-\cos\theta)\ln(1-\cos\theta)-\frac{2}{3}(1-\cos\theta)^2} \end{equation} 那么在小偏转角近似下， \begin{equation} \theta_{\rm E}=\frac{\theta^2}{\left(1+\frac{m^2}{2(E^2-m^2)}\right)^2+\left(1+\frac{m^2}{E^2-m^2}\right) \frac{\theta^2}{3}\ln\frac{\theta^2}{2}}, \end{equation} 其中$\theta_{\rm E}=4GM/b$，$b$是瞄准距。如果$E\gg m$，偏转角可以近似为 \begin{equation} \theta=\theta_{\rm E}\left(1+\frac{m^2}{2E^2}\right) \end{equation} 假设$\Delta$是质量$m$的光子的偏转角对质量为零的光子的偏转角的偏离的上限。那么可以得到 \begin{equation} m\le 2\pi \nu\sqrt{\frac{2\Delta}{\theta_{\rm E}}}. \end{equation} 注意到上面的处理假设了$E\gg m$，为满足这个条件，可以得到关于$\Delta$的以下判据 \begin{equation} \frac{m}{\nu}\le 2\pi\sqrt{\frac{2\Delta}{\theta_{\rm E}}}\ll 1 \end{equation} 为了能用引力透镜的观测对光子质量给出限制，仪器的角分辨率应该远远小于引力透镜像与源之间的角距离。例如，如果在1GHz对引力透镜进行角分辨率1mas的观测，假设引力透镜像与源之间的角距离是$1^\circ$，那么光子质量的上限为 \begin{equation} m\le 4.6\times 10^{-42}\rm g. \end{equation} \begin{thebibliography}{} \bibitem{accioly2004} Accioly, A. \ Paszko, R. 2004 Phys. Rev. D, 69, 107501 \end{thebibliography} PDF 2012年4月30日注：本想法已整理成文发表（QIAN Lei. Constraining photon mass by energy-dependent gravitational light bending . SCIENCE CHINA Physics,Mechanics Astronomy, 2012, 55(3): 523-526. http://phys.scichina.com:8084/Jwk_sciG_en/EN/abstract/abstract506604.shtml# ）。相关的幻灯片天文学年会2011_钱磊.ppt 报告_国家天文台_钱磊.ppt 2016年5月26日注：本文终于有人引用了，《中国科学G》就别来烦我了。 http://inspirehep.net/record/1221018/references; 个人分类: 思考|5195 次阅读|1 个评论

空间是弯曲的吗: mohsh 2009-9-23 10:25; 空间是弯曲的吗根据爱因斯坦的广义相对论，空间是弯曲的，而且引力源于空间弯曲。但站在哲学的角度，空间弯曲源于有质量物质对空间的作用，这种作用即是引力，因此，在逻辑上空间弯曲实际上是一种冗余。另外，引力透镜现象似乎并不支持空间弯曲：因为，引力透镜现象是指光线掠过大质量星体时会聚，即引力透镜效应；而光线的弯曲如果归之于空间弯曲，则光线在接近大质量星体时会聚，在离开大质量星体会发散。因此，引力透镜效应似乎并不支持空间的弯曲。此外，引力透镜效应似乎也并不预示着一定是引力的结果，大质量物体周围弥散的气体应该会使光线发生折射，而且质量越大的星体，其周围弥散的气体密度越大、范围越广，对光线折射的影响越大。; 个人分类: 未分类|4152 次阅读|2 个评论

关于相对论的两个证据: llllaa 2009-1-23 10:25; 1．水星进动。学过相对论的人都知道水星轨道进动是相对论的重要证据，从推导过程可知凡是行星的圆周运动都存在多余进动。即使相对论的数值符合的较好，但是道理上并不可信。愚认为水星进动的本质其实是水星的能量逐渐减少，轨道逐渐缩小，向太阳下落的过程。如果哪位能够精确计算出月亮的剩余运动，就会发现月亮的运动是反向进动（需要去除潮汐、太阳、其它行星引力的影响）。 2．引力透镜除了光线弯曲的数值吻合外，空间观测的引力透镜效应也成为相对论的证据。但是可能引力透镜的效应某种程度上会成为相对论的质疑证据。引力形成的透镜不同于凸透镜，如图所示：引力透镜的结构决定了，1）经过透镜的光会变暗，不会增亮。2）透过引力透镜观察到的弧形或者光影会变得更薄或者纤细，而不是更浑厚。以上两点好象与观测不符。资料多的达人可以进一步验证之。; 个人分类: 物理|5632 次阅读|1 个评论

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标签: 引力透镜

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