椭圆星系|光可以因引力而弯曲路径，那么宇宙中的空间位置是如何确立的？椭圆星系

文章图片
这是一个好问题。
简单地说，引力透镜效应确实会使得光线弯曲，改变远处天体在天球上的位置。大多数时候，这种位置改变比较小，对研究具体问题影响不大。对于特别的问题，这个效应很重要，我们可以通过对引力透镜建模来部分地解决这个问题。
远处的天体发出的光，被偏折后形成了两个可以从地球上观测的像。如果能够确切知道中间天体的引力场分布，就可以求解天体的本来位置。在实践中，研究者往往需要对中间天体和原处光源同时建模。
1. 宇宙中的物质分布其实很稀疏，对于近处的天体，大多数时候光线并不会经过大质量天体。比如，测量银河系内部的恒星位置的时候，一般不需要顾及引力透镜效应。
2.宇宙深处的天体确实会受到这种效应的影响。但是即使是宇宙最深处的星系，位置也很难多次被改变。而且往往改变幅度并不大。研究大多数问题，不需要考虑这种偏折。事实上，由于引力透镜效应造成的亮度变化可能对研究的影响更大一些。
【椭圆星系|光可以因引力而弯曲路径，那么宇宙中的空间位置是如何确立的？】3. 对部分研究者来说，这种偏折确实很重要。这种情况属于“强引力透镜”研究。比如下图就是一个强引力透镜系统。最左边的图片是哈勃空间望远镜拍摄的，方框中的星系是一个椭圆星系，如果放大这个星系的图像，你会发现它周围有另一个星系的图像（中间），椭圆星系引力场扭曲了这个远处星系的光线，使得这个星系的图像变成了中间环状的样子（被称作爱因斯坦环）。中间高分辨率图像是射电望远镜阵列ALMA拍摄的，在ALMA的波段，椭圆星系是看不见的。
在这个实例里，远处的星系扭曲得很厉害，位置不但改变了，而且变出了两个像。为了得到这个星系原本的位置，就需要建立整个透镜系统（包含前景的星系，背景的星系）的模型。一般模型中包含若干参数，通过调节这些参数，研究者可以生成不同的模拟图像。经过和观测图像对比后，最好还原观测图像的模型被认为是最佳拟合模型。基于这个最佳模型，研究者就可以还原远处星系原来的样子和位置。经过研究，这个星系真实的位置，和前景的椭圆星系几乎一样，最初的样子就是最右边的图像。
当然，这种还原的准确度是依赖于观测的质量，以及模型建立的准确度的。这种建模研究仍然是天体物理中的一个热门话题。研究者仍然在开发更好的建模方法。
在天文观测实践中，天体的相对位置，在采用了合适的距离定义，考虑了广义相对论框架下的空间几何描述后，是完全可以研究的，也是天体物理研究者每天都在做的。否则天文学家是如何绘制宇宙三维地图，探测宇宙中最远的天体的呢？