1915 年 11 月爱因斯坦向普鲁士科学院提交了现在被称为爱因斯坦场方程的成果，该方程构成了著名的广义相对论的核心。这些方程表示时间与空间会受到质量的影响而弯曲。但是发表最初在学术界没有像我们想象的那样引起轩然大波，因为这一理论还没有得到实验的证实，还不能称为一个“正确”的理论。1919年的一场日全食改变学术界对广义相对论的看法。

图1. 爱因斯坦与相对论

人类第一次观测引力透镜

上文说到时空会受到质量的影响而产生弯曲，在平直时空中走直线的光，在弯曲的时空中自然也会被弯曲。这为我们验证广义相对论提供了方案，我们只需要找到一个大质量物体，观测经过它附近的光线就可以判断。那么离我们最近，最容易观测的大质量物体是什么呢，那就是太阳。根据广义相对论计算，太阳对周围光线的偏转的角度是牛顿经典力学的2倍，这足以告诉我们爱因斯坦是否是正确的。

为了测量太阳对光线产生的弯曲，我们需要测量太阳背后恒星的位置。这在地面上是十分困难的，太阳太亮了，照亮了整个大气层，掩盖住了遥远恒星发出的光线。1919年的日全食是一个很好的机会，这时月球会完全挡住太阳，有利于我们观测太阳背后的恒星。

图2. 日全食照片（版权:ESO/Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl/F. W. Dyson, A. S. Eddington, & C. Davidson）

1919年日全食期间，亚瑟·爱丁顿在非洲西海岸的普林西比岛上拍摄了日全食的照片。回到英国之后，爱丁顿仔细地比较了日全食时的恒星位置与平时的恒星位置，发现恒星移动的距离与爱因斯坦广义相对论的结果十分接近。这成为了广义相对论一个十分强有力的证据，这也是人类历史上第一次观测引力透镜效应。所谓引力透镜就是大质量天体偏转其周围的光路的现象。

图3. 引力透镜（版权:NASA）

星系团引力透镜产生的巨弧

数百甚至数千个星系通过引力束缚在一起，就组成了星系团，在图像中看就是很多星系聚集在一起。星系团有非常大的质量，所以经过星系团的光线也会被弯曲，从而产生引力透镜现象。

图4. 韦布空间望远镜(JWST)拍摄的遥远的星系团的图像（版权：NASA, ESA, CSA, and STScI）

图5.韦布空间望远镜(JWST)拍摄的遥远的星系团的图像（版权：ESA/Webb, NASA & CSA, J. Rigby）

这两张图片是韦布空间望远镜(JWST)拍摄的遥远的星系团的图像。在这张图中，除了我们熟悉的恒星和星系之外，还可以看到下面这种许多看起来被扭曲的弧状结构。

图6. “巨弧”（Giant arcs）（图源：图4和图5截取）

像图中的这种结构我们称之为“巨弧”（Giant arcs），这正是遥远星系发出的光线经过星系团周围的弯曲时空产生的扭曲的“像”。

图7. 图片展示了星系团如何扭曲遥远星系的光线（版权:NASA）

巨弧背后的科学问题——暗物质

图8. 图片展示了暗物质分布在宇宙大爆炸后几亿年到现在（137亿年）的演化，星系团会在图中暗物质集中的地方产生，并且通过暗物质晕的合并而“长大”。（版权：TNG Simulations）

图9. 暗物质中的星系团，黑色为暗物质，黄色为星系团（版权：American Museum of Natural History）

暗物质占宇宙总质量的85%，在星系团中也不例外。星系团是在暗物质晕中“生长”起来的，暗物质的性质直接会影响星系团的质量分布。星系团是一个很好的研究暗物质的探针，所以我们得到星系团的质量分布就可以用来研究暗物质的性质。星系团引力透镜可以帮助我们构建星系团的质量分布。巨弧由星系团弯曲背景星系的光线产生，通过广义相对论我们又知道质量是如何弯曲光线的，所以我们可以通过巨弧的形状与位置反过来构建星系团的质量分布。

暗物质是宇宙的主要组成成分之一，主导了宇宙的结构形成过程。关于暗物质存在的证据已非常充分，但是其具体性质仍有许多争论。比如：暗物质“温度”：“冷”或“温”或“热”？暗物质是否有自相互作用？

暗物质的“温度”

暗物质的温度是指暗物质粒子的平均动能，暗物质越“热”动能越高，暗物质便倾向于四处“跑动”，不容易聚集在一起；暗物质越“冷”动能低，暗物质便倾向于聚集在一起。

图10. 不同温度的暗物质分布，从左到右分别是热、温、冷暗物质（版权：Ben Moore 苏黎世大学/）

根据目前的观测证据，我们宇宙中暗物质的分布不像热暗物质一样那么弥散，而是像温暗物质和冷暗物质一样有很多细小的结构，但是还没有办法确定到底是冷暗物质还是温暗物质。区分“冷”与“温”可以通过数暗物质子结构的个数来确定，暗物质明显有更多的子结构，就像上图中的“亮点”。但是这些小的子结构一般没有形成恒星，不发光，我们没有办法直接观测到，那么我们如何观测呢。答案是借助引力透镜形成的巨弧。

图11. 论文截图（图源：https://arxiv.org/abs/2303.14786v2）

首先我们可以通过巨弧重建星系团大致的质量分布，这里的质量分布只包含一些大的质量结构。然后我们又可以反过来建立在这一质量分布下的巨弧形状，如果这两者之间有明显的差异，那么说明建立的质量模型没有包含一些小的质量结构，在有差异的位置便有一个暗物质的子结构。

如果这种子结构比较多，那么说明我们宇宙中的暗物质就是冷暗物质，反之如果子结构比冷暗物质预测的要少，那么我们宇宙中的暗物质就更倾向于温暗物质。

自相互作用暗物质

暗物质一般被认为只有引力相互作用，不参与其他相互作用，比如不与可见物质发生碰撞。但是暗物质是否与自己相互碰撞呢？目前学术界还没有定论。们可以通过两个正在碰撞的星系团的质量分布去检验，这同样需要通过引力透镜效应来构建星系团的质量分布地图。

图12. 碰撞星系团模拟，红色为热气体，蓝色为暗物质 （版权：Andrew Robertson / Institute for Computational Cosmology / Durham University）

两个星系团发生碰撞时，恒星其实一般是不会与另一个恒星发生碰撞的，因为恒星十分致密，在星系团中的分布是十分稀疏的，直接碰撞的概率非常小。我们可以说恒星不与“自己”碰撞。观测上会表现为星系直接穿过彼此。星系团中的热气体是十分弥散的，两个星系团在发生碰撞时，两团热气体中的粒子会发生碰撞，我们可以说热气体会与“自己”碰撞。观测上就会表现为热气体在碰撞时落后于可见的星系。那么如果暗物质没有自相互作用，那么暗物质应该与恒星表现一样，会互相穿过，不会落后于可见的星系。如果暗物质有自相互作用，那么暗物质应该与热气体表现一样会落后于可见的星系。

我们只需要测量暗物质的质量中心是不是与星系的可见光的中心重合就可以确定暗物质是否有自相互作用。

星系团引力透镜的黄金时代

为了研究暗物质的性质，我们需要对大量的星系团进行建模，像哈勃和韦伯望远镜这种专注局部范围的望远镜就显得力不从心了，这就需要巡天望远镜来帮助天文学家们快速地获得大量星系团的数据。由于星系团引力透镜需要足够高的空间分辨率，所以不受大气干扰的空间巡天望远镜是最合适的设备。

中国自己的中国空间站工程巡天望远镜（CSST）预计将在2025年发射升空。我们的巡天望远镜与哈勃望远镜的成像质量相当，但是视场是哈勃望远镜的300倍。这意味着我们可以非常快速地对天空中的天体做一个普查，获得大量的星系团样本，这对于我们利用星系团引力透镜研究暗物质有非常大的帮助。星系团引力透镜的研究也会因此迎来一个黄金时代！

图13. 中国空间站工程巡天望远镜（版权：国家天文台）

作者简介

马向浩，中国科学院国家天文台博士生，天体物理专业，主要研究方向为星系团引力透镜、暗物质。

主编：李然

审查：袁凤芳

审核：田斌

审批：陆烨

来源：中国科学院国家天文台

编辑：Tensor Spicy