一镜到底宇宙最大与最小（宇宙中的终极放大镜）

如果想要观测到更遥远的宇宙，我们需要更多探测到更多的光亮。就拿熟知的烛光和亮灯来说，放在离我们越远的距离，它们的光亮也就越暗淡、越微弱、越难被看到。远处的星星和宇宙也是一样，在天文学里，观测一个物体的能力完全取决于能从该物体上探测到多少光子。

△ 集光能力决定了能观测到多少细节。（© ESO/OWL project）

一般来说，加强光子探测能力的方法有两种，一是制造更大的望远镜，从而使收集光的能力加强；二是延长对目标物体观测的时间，从而增加光的探测总量。当然啦，我们也可以通过提高光聚集的效率，比如把望远镜送到太空里去，就不用和大气搏斗了；又比如设置更精密高端的自适应光学系统，从而降低噪声，使得每一个光子都更耀眼。但在这些都做到后，我们还是受限于能够聚集的光量。

除了斥巨资造更大的望远镜和花长时间观测一个目标之外，还有没有别的方法可以优化对遥远星体的观测呢？当然有，爱因斯坦在广义相对论里就预测了一个神奇的现象——引力透镜效应，而正是引力透镜，帮助我们更轻松的了解遥远的星体。

△ 描述了引力透镜的工作原理。（© NASA/ESA）

如果你对广义相对论的概念一无所知，只要记住下面这点：广义相对论的核心思想是空间和时间不再是独立的，而是互相编制而成的一个单一、连续、不可分割的构造，即“时空”。所有的粒子都在时空里穿梭，而物质和能量的存在弯曲了时空本身。上世纪30年代，弗里茨·兹威基意识到当背景光远发出的光在引力场，像星系、星系团附近经过时，光线会像通过透镜一样弯曲，这个质量巨大的物体也便像放大镜一样放大它身后的物体。

△（© ESO/R.Massey）

根据背景光源和前景光源的方向，引力透镜有几种不同的表现形式，因为光线扭曲的方向不同，同一物体也可被呈现出多重不同的像，所成的像也会产生畸变，或成枕形、或成椭圆形。在“恰到好处”的角度，产生的畸变会极度严重使得成像被伸展成圆环形，这就是人们所说的爱因斯坦环。但这些情况都有一个共性即：在引力透镜效应的作用下，物体的像都被放大，亮度也被大大提高。

△ 哈勃和斯皮策太空望远镜分别拍摄到的EGSY8p7星系。（© NASA）

第一个引力透镜是在理论完善后的40年才被真正发现，现如今，引力透镜已成为观测超远距离星系最得力的帮手。虽然我们对它还没有办法进行精准的操控（毕竟它想出现在哪，宇宙说了算，我们能做的只是观看），但它包罗万象，只要用适合的方法在正确的波段对它进行足够长时间的观测，便能在更遥远的宇宙里发现更多的星体。

△ 哈勃超深空（© NASA/ESA/R.Bowwens & G.Illingsworth）

更好的望远镜、更先进的科学技术和更多的观测时间都能有效帮助我们更好的探索宇宙。宇宙里存在的质量、时空所具有的特性，才能让遥远的宇宙释放出更多的光亮，而这也是任何人造望远镜都无法与之媲美宇宙终极放大镜！