宇宙学尺度上的引力透镜效应 引力透镜的基础概念 首先，你需要理解单个天体（如恒星、星系、星系团）产生的引力透镜。根据爱因斯坦的广义相对论，物质会导致其周围的时空发生弯曲。光线在弯曲的时空中沿“最短路径”（测地线）传播，这表现为光线在经过大质量天体附近时路径会发生偏折。这就像一个光学透镜偏折光线一样，因此这种现象被称为“引力透镜”。一个前景大质量天体（透镜体）会扭曲和放大其后方更遥远天体（源）的光，从而产生多种可观测现象，例如：形成一个或多个畸变的源像（如爱因斯坦环、多重像），或者单纯地放大源的亮度。 从单个天体到宇宙学尺度 宇宙学尺度上的引力透镜，关注的是在整个宇宙的宏大结构和演化背景下发生的透镜效应。其“透镜体”通常是宇宙中成团分布的物质，包括暗物质、星系、星系团以及更大尺度的纤维状结构。与单个致密天体的透镜不同，宇宙学透镜的“透镜”通常不是一个点，而是一个延伸的、质量分布复杂的区域。其“源”则是极为遥远的背景天体，比如高红移的星系、类星体，或者最根本的 宇宙微波背景辐射 本身。这意味着，光线在穿越数十亿光年的旅途中，会经历多次、微小的路径偏折，这些偏折累积起来，就形成了宇宙学尺度上的透镜效应。 强引力透镜与弱引力透镜 在宇宙学观测中，引力透镜效应主要按其可观测的畸变强度分为两类： 强引力透镜 ：当透镜体（如一个大质量星系团）的质量足够大，且与背景源、观测者三者几乎完美成一直线时，会产生极为强烈的扭曲效应，形成显著的多重像、巨大的弧或完整的爱因斯坦环。这类现象相对罕见，但能提供透镜体（特别是其暗物质成分）质量分布的精确“地图”。 弱引力透镜 ：这是宇宙中最普遍的形式。绝大多数背景星系所受到的前方物质分布的引力偏折效应非常微弱，无法在单个星系图像上被直接察觉。但通过对同一天区内成千上万个背景星系的形状进行统计分析，可以探测到这些星系形状存在一致的、微小的、有规律的畸变模式。这种平均的畸变模式直接揭示了从观测者到这些背景星系视线方向上所有物质（主要是 暗物质 ）的总体分布和聚集情况。 弱引力透镜的宇宙学威力 弱引力透镜是当今观测宇宙学最强大的探针之一，主要原因在于： 直接探测暗物质 ：光的偏折直接由总物质（包括暗物质）的引力场决定，因此弱引力透镜能够不依赖发光物质，直接绘制出宇宙中物质的整体分布图，是研究 暗物质 空间结构和 宇宙网络 的最直接手段之一。 探测宇宙结构与演化 ：通过测量不同红移（即不同宇宙时期）的背景星系所受到的透镜效应，天文学家可以构建宇宙物质结构在三维空间中和随时间（即随红移）的演化史。这帮助我们理解 宇宙结构形成 的过程和速率。 限制宇宙学参数 ：结构形成和演化的速率强烈依赖于宇宙的基本参数，如物质密度参数、 暗能量 的性质（状态方程）和宇宙的几何特性。通过精确测量弱引力透镜的统计信号（如剪切相关函数），可以极为有效地约束这些宇宙学模型参数，帮助我们理解 宇宙的命运与终极图景 。 宇宙微波背景辐射的引力透镜 引力透镜效应不仅作用于遥远星系，也作用于最古老的光—— 宇宙微波背景辐射 。CMB光子在其138亿年的传播旅程中，会被途中所有形成的大尺度结构所偏折。这种效应会平滑CMB温度图上的微小起伏，并会在CMB偏振信号中引入独特的模式。通过分析CMB的透镜效应，我们可以独立地回溯从宇宙早期（CMB形成时，约红移1100）直到今天（红移0）之间，整个宇宙中物质结构的演化历史，为宇宙学模型提供一个极其重要的独立检验。