哈勃深空图像里,视野挤满星点和遥远星系,直觉很容易产生一个疑问:一束光飞行数百年甚至数十亿年,途中看起来会经过无数天体附近,既然质量能够弯曲时空,最终抵达望远镜的方向是否早已偏离,天文学家看到的位置还可信吗?
答案是引力偏折确实存在,但绝大多数情况下小到可以忽略;只有光线与足够大的质量在天空中高度对齐时,透镜效应才会变成主要因素。二维照片会制造拥挤错觉。
望远镜把不同距离的天体投影到同一张平面上,两个光点看似挨得很近,实际可能相隔几百、几千甚至数百万光年。银河系里恒星之间的平均距离以光年计,而恒星半径只以几十万或几百万公里计。
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光束要从一颗恒星表面附近掠过,所需的几何对齐极其苛刻。多数来自可分辨恒星的光,在抵达地球前并不会贴近另一颗恒星。
广义相对论指出,任何质量都会让附近时空弯曲,所以哪怕一只手也会对光产生极微弱偏折,只是完全达不到日常可测程度。对球对称天体,光线偏折角会随质量增大而增大,随最近掠过距离增大而减小。
太阳质量很大,光线若擦过太阳边缘,偏折约为1.75角秒;离太阳越远,角度迅速缩小。1919年日全食观测之所以等待月球遮住太阳,正是因为需要测量背景恒星在太阳边缘附近的细小位置变化,同时压低强烈日光干扰。
普通恒星也能成为透镜,但通常需要几乎完美的前后对齐。前景星的引力会暂时放大背景星亮度,形成微引力透镜事件;若测量精度足够高,还能看到背景星视位置轻微移动,称为天体测量微透镜。
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这里并不是所有星光一路随机折射,而是少数特定几何关系产生可计算信号。天文学家通过持续监测亮度曲线和位置轨迹,甚至能估算前景天体质量,寻找难以直接看见的暗弱恒星、褐矮星或行星。
当透镜从单颗恒星换成拥有数千亿颗恒星和大量暗物质的星系,效果会强得多。前景星系或星系团可以把背景星系拉成长弧,产生多个像;对齐非常接近轴线时,还会形成爱因斯坦环。
此时观测到的形状和位置确实与未经偏折的真实方向不同,但这种扭曲具有规律。研究人员建立透镜质量模型,便能反推背景天体位置,并利用放大效应观察本来过于遥远和暗淡的宇宙。
所谓真实位置还要分清含义。由于光速有限,看到的永远是天体过去的状态;恒星也具有自行和视差,地球运动会改变其表观方向;大气还会折射地面望远镜接收的光。
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现代星表会把这些效应纳入模型,给出规定历元下的位置、距离和运动参数。引力偏折只是误差预算中的一项,而且在太阳系内有成熟修正方法。
深空图像中的大多数小亮点也并非沿途障碍。有些是银河系前景星,更多模糊斑点是各自包含巨量恒星的遥远星系。
光束可以从星系外缘或暗物质晕中经过,受到整体势场影响,却不会像弹珠撞上障碍那样反复改变方向。宇宙在肉眼图像上显得拥挤,三维空间实际上极为空旷。
即便偏折角很小,极高精度任务仍不能忽略它。微角秒级天体测量需要校正太阳、行星和已知前景质量的影响,射电干涉和航天器导航也会处理相对论修正。
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这与位置被彻底掩盖是两回事:误差可预测、可测量、可建模,就能从观测中分离。因此,星光没有在漫长旅途中被无数恒星搅成无法辨认的方向。
个别近距离掠过会造成微小偏移,大质量星系和星系团会制造壮观透镜,但这些现象出现条件有限,并且本身携带珍贵信息。引力不是破坏宇宙地图的噪声,很多时候反而是帮助天文学家测质量、看暗物质和窥探更远宇宙的一架天然望远镜。
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