地球上找不到已知最強大的放大鏡之一。 這個透鏡由恆星、氣體和暗物質所構成，距離我們約 40 億光年。 當天文學家仔細觀察它時，他們發現了 130 億多年前散佈在宇宙各處的星系種子。
這個透鏡被稱為阿貝爾 2744，是一個宇宙堆積體，其中四組星系碰撞，形成一個質量約 2000 億個太陽的巨大聚集體（SN：2015 年 6 月 13 日，第 14 頁 32）。 來自所有質量的重力會改變任何試圖偷偷經過的光線的方向，使其彎曲和聚焦，創造更大、更亮的影像遠離星團的星系。
Abell 2744 作為一種有用的天文工具，因為宇宙遵循阿爾伯特愛因斯坦的廣義相對論。 該理論描述了引力、質量、空間和時間如何共同建構宇宙。 它構成了科學理解宇宙的基石。 對於今天的天文學家來說，廣義相對論的兩個主要結果——質量聚焦光的能力以及質量加速時產生的時空漣漪——為研究宇宙提供了強大的工具。 太空中的巨型透鏡處於探索星係起源的最前線。 同時，難以捉摸的重力波可以揭示恆星屍體（例如黑洞和中子星）之間看不見的碰撞。
重力透鏡和波並不是什麼新想法。 愛因斯坦知道他的理論暗示兩者都存在。 1937 年，加州理工學院天文物理學家 Fritz Zwicky 提出：應該找到鏡頭圍繞著一些巨大的星系。 幾十年後，天文學技術才驗證了這個想法：直到 1979 年，天文學家才在類星體的雙像中發現了引力透鏡的真實例子——並排瞥見了類星體的雙像。銀河熾熱的心，就像一對迎面而來的車頭燈。
愛因斯坦如何計算一顆恆星的引力可以放大光另一顆更遙遠的恆星，但他也推斷看到它的可能性非常低。 近年來，光學重力透鏡實驗是探測在銀河系恆星前方徘徊的天體的多項努力之一。記錄了大約 2,000 個可能發生的事件每年。
「有趣的是，今天透鏡效應如此受到尊重，」德國加興歐洲南方天文台的天文物理學家理查德·艾利斯說。 “我已經夠大了，還記得什麼時候它被認為有點古怪。”
在過去的幾十年裡，透鏡已被用來研究各種各樣的事物。 附近的一些由單恆星形成的透鏡揭示了我們銀河系中的行星，其中包括一些孤兒漂流穿過銀河系沒有太陽可以打電話回家（SN：2015 年 4 月 4 日，第 14 頁 22 號）。 其他鏡頭，如 Abell 2744，可以讓天文學家俯瞰整個宇宙，看到早期宇宙中成長的星系。
現代星系的種子
望遠鏡可以回顧過去； 來自最遙遠地點的光幾乎傳播了整個宇宙 138 億年的歷史。 當天文學家探索如此遙遠的星系（以及遙遠的過去）時，他們希望找到最終成為現代星系的種子。 然而，在這樣的距離上通常只能發現異常明亮的星系。
宇宙觀鏡
有時星係可以充當更遙遠星系的透鏡。
NASA、ESA、G. Bacon 和 F. Summers/STScI
迄今為止，在宇宙邊緣看到的一切都是當時最亮、最大、最瘋狂的，」巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的天文物理學家珍妮佛洛茨說。 然而，我們的銀河系「並不大且瘋狂； 這是比較典型的。 要找到那些更經典、不那麼引人注目的原星系需要一個非常大的放大鏡。
洛茨正在領導一項為期三年的努力，稱為前沿領域項目，用哈伯太空望遠鏡觀察六個巨大的星團，尋找與我們星系相似的星系的種子。 分析了四個集群； 其餘兩個目前正在審查中。
天文學家最近在凝視其中一個星系團 Abell 2744 時，發現了已知最遙遠星系之一的候選星系，這是一個在大爆炸後約 5 億年長大的幼兒。 當它的光線穿過星團的多條路徑時，該星系看起來像一個微弱的紅色污點——或者更確切地說，三個污點。 這個遙遠的星系微小而密集，將大約 4000 萬個太陽的質量擠壓成一個直徑只有數百光年的球體。 與銀河系相比，它是一個蒼白的點。 諸如此類的圖像被添加到天文學家的剪貼簿中，以了解星系在宇宙歷史中如何生長。
星系的組成部分並不是潛伏在這些透鏡後面的唯一東西。 三月，研究人員宣布他們看到同一顆超新星爆炸不是一次而是四次（SN 線上：2015 年 3 月 5 日）。
「我根本沒想到會看到這樣的情況，」洛茨說。 「我們太幸運了。 時機非常完美。
這顆恆星爆炸發出的光花了 94 億年才到達地球，正好落在位於前線場星團之一的一個星系上。 那個星系的引力沿著四個不同的路徑引導光線，創建四重重播，每次額外的閃光都會在其前一個閃光出現幾天到幾週後出現。
「故事還沒結束，」她說。 “我們預計未來一兩年還會出現另一個。” 透過研究透鏡如何扭曲來自背景星系的光線，研究人員計算出光線還有第五條傳播路徑。 天文學家現在有一個難得的機會在超新星出現之前了解它。 「這是重力透鏡效應的一個驚人的例子，」洛茨說。
擴張步伐加快
由巨大星團建構的強引力透鏡是強大的工具。 但它們並不常見。 大多數星系發出的光在到達地球的途中不會經過像 Abell 2744 這樣的星團附近。 但還有許多較小的星團和星系長河，被稱為星系細絲，它們會幹擾光線並產生弱透鏡。 「每個遙遠物體的圖像都會有少量扭曲，」伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的天文物理學家約書亞·弗里曼說。
這種微妙的扭曲可能是解開現代天文學中最棘手的謎團之一的關鍵：是什麼導致宇宙加速膨脹？
其他星系中的超新星看起來比逐漸膨脹的宇宙中預期的更遠。 大約70億年前，有東西踩上了宇宙加速器，加快了膨脹的腳步。
研究人員將這種排斥力稱為「暗能量」（SN：2012 年 5 月 5 日，第 12 頁 17 號）。 他們不知道它到底是什麼，但一個想法是，它是空間的某種固有屬性，一直存在，潛伏在背景中。 在某個時刻，隨著宇宙的延伸，物質和能量的密度下降到足以讓暗能量佔據主導地位。
這個想法始於愛因斯坦，當時他意識到他的理論描述了一個不穩定的宇宙，其中引力可以將所有恆星向內拉並發生大規模塌陷。 這顯然沒有發生，所以他捏造了方程式並添加了一個“宇宙常數”來糾正問題。
愛因斯坦在 1917 年寫道：“為了達成這一一致的觀點，我們必須承認，我們必須引入引力場方程式的擴展，但我們對引力的實際知識並不能證明這一點。”
1929 年，埃德溫·哈伯 (Edwin Hubble) 報告稱，星系彼此遠離的速度似乎越遠，之後他就放棄了這個想法——這一發現意味著宇宙正在膨脹。 但愛因斯坦的創意會計又重新流行起來。 今天，他的宇宙學常數可能是描述暗能量如何使宇宙膨脹的參數。
不過，天文學家還需要了解更多關於暗能量的知識。 例如，艾利斯問道，暗能量真的是恆定的嗎？ “直到我們將其作為時間的函數來測量，”他說，“我們不知道。”
暗能量與暗物質（一種將星系及其星團結合在一起的難以捉摸的物質）競爭，為宇宙搭建鷹架，在那裡原子可以聚集在一起形成恆星和行星。 暗物質將事物聚集在一起，而暗能量則試圖將它們撬開。 「這是一場史詩般的鬥爭，」弗里曼說。
弗里曼領導了一個名為“暗能量調查其中一部分是花費五年時間來追蹤這場拉鋸戰如何隨著時間的推移而改變。 該調查正在尋找由該腳手架產生的弱引力透鏡。 隱藏的暗物質快取稍微扭曲了共享同一片天空的數千個星系的圖像。 透過測量大約 2 億個星系的非常微妙的扭曲，研究人員正在將暗物質團塊繪製到宇宙大約是當前大小一半的時期（SN：2015 年 5 月 16 日，第 14 頁 9）。 了解自那時以來宇宙團塊如何變化將有助於研究人員了解暗能量如何或是否發生變化。
暗能量團隊已進入第三年，並開始分析第一季的數據。 弗里曼預計，前兩年的綜合數據應該會開始排除一些關於暗能量是什麼的想法。
空間漣漪
即使使用重力透鏡，有些東西還是太遠或太微弱而無法看到。 幸運的是，愛因斯坦的宇宙有一個解決方法：重力波。 當質量使時空結構起皺時就會產生引力。 就像球從橡膠板上彈起一樣，任何加速的質量都會發出重力波，造成空間本身拉伸和擠壓的漣漪。
圖形後故事繼續
調整重力
就像收音機上的調諧器一樣，不同的探測器（底行）會拾取不同頻率的重力波。 頻率取決於波紋的原因（來源，頂行）。 與產生高頻波的超新星相比，來自雙星超大質量黑洞的波振盪緩慢。 脈衝星計時偵測器最適合感測峰值之間經過年數的波。 地面乾涉儀在受到每秒振盪數百次的波的撞擊時會振作起來。資料來源：美國太空總署
產生可偵測的顫動需要災難性事件。 黑洞碰撞、中子星合併甚至大爆炸本身（SN：2015 年 2 月 21 日，第 14 頁 13）應該在空間中發出漣漪，在宇宙中迴響。 如果有辦法感知這些時空膨脹，天文學家就可以研究在宇宙中旋轉的實體，否則這些實體可能是看不見的。
搜尋此類訊號雷射干涉儀重力波天文台 (LIGO) 位於路易斯安那州和華盛頓州的雙胞胎設施中正在進行這項工作。 如果波浪沖刷地球，懸掛在 4 公里長的垂直管末端的一對鏡子之間的精確距離將隨著鏡子之間的空間膨脹和收縮而振盪。 在這些管內跳動的雷射可以感知遠小於質子寬度千分之一的距離變化。
當星星碰撞時
如圖所示，當兩顆中子星相互旋轉時，它們會輻射出重力波，而這些重力波僅在兩顆中子星合併前的最後幾分之一秒內被偵測到。
美國太空總署戈達德太空飛行中心
天文學家已經間接偵測到重力波。 1974 年，約瑟夫泰勒（SN：2015 年 7 月 11 日，第 7 頁 4）和當時在麻薩諸塞大學阿默斯特分校的 Russell Hulse 發現第一個雙脈衝星，一顆圍繞伴星快速旋轉的中子星。 在接下來的幾年裡，脈衝星漂向它看不見的夥伴以每年 3.5 公尺的速度成長——廣義相對論預測，如果這兩個粒子輻射重力波，軌道就會收緊。 這項發現使泰勒和赫爾斯獲得了 1993 年諾貝爾物理學獎。
赫爾斯-泰勒雙星產生的漣漪太微妙，無法直接看到。 但當兩顆星星依偎在一起時，波浪就會變得更強。 在恆星相撞前的最後幾毫秒，時空的聲音將足以讓 LIGO 聽到。 不過，這場碰撞在三億年後才會發生。
「我們不想等那麼久，」蘇格蘭格拉斯哥大學的天文物理學家馬丁·亨德利說。 “我們所指望的是，在我們的銀河系及其他星系中存在許多這樣的系統，這就是我們正在等待探測的。”
LIGO 歷時八年的首次搜索於 2010 年結束，但一無所獲。 九月，LIGO 開始再次嘗試尋找難以捉摸的獵物。 第二次嘗試被稱為高級 LIGO，使用了更好的儀器，任務科學家相信他們將在未來幾年內看到一些東西。
波浪捕捉器
研究人員希望利用乾涉儀探測黑洞和中子星碰撞產生的重力波。 雷射從鏡子反射到兩個垂直的管子上，然後重新組合，並由光敏探測器進行測量。 經過的重力波會改變管子的長度，這將使重新組合的光的亮度發生變化，因為組合光束中的光波會相互幹擾。
光達
「真正的天文物理學在那之後才開始，」亨德利說。 一旦研究人員進行了一些探測，LIGO 和其他類似設施就成為另一種天文工具，但對重力而不是光的變化敏感。 與通常一次只能觀察一個地方的望遠鏡不同，重力波探測器可以監聽整個天空。
宇宙節拍器
LIGO 應該能夠接收到在地球約 6 億光年範圍內一起旋轉的任何中子星或黑洞的相對較高的頻率。 超大質量黑洞之間的碰撞（SN 線上：2015 年 8 月 31 日）可以從更遠的地方聽到，但它們發出長而起伏的波，而 LIGO 對此充耳不聞。 為了感知這些巨大的波（峰到峰的距離以光年為單位測量），研究人員正在轉向脈衝星。
衝向脈衝星，當你更快進入連續脈衝時，射電爆發的節奏似乎會加快。 遠離脈衝星，節奏就會變慢。 作為地球時空海洋上的鮑勃，它遠離一些脈衝星並向其他脈衝星移動。 透過監測數十個這樣的宇宙節拍器的脈衝，研究人員將知道地球何時乘著超大質量黑洞碰撞的波而行。
「這就像你透過測量船隻的運動來探測海洋上的波浪一樣，」蒙特利爾麥吉爾大學的天文學家瑞安·林奇說。
地球與其中一顆脈衝星之間的距離變化小得驚人：大約是萬億分之一。 這就像試圖測量大約 100 光年範圍內一公里的變化。
北美、歐洲和澳洲的三個被稱為脈衝星計時陣列的專案正在使用一些最大的電波望遠鏡來識別脈衝星並尋找這些波。 林奇說，他們接收到的第一件事可能不是單一事件，而是宇宙中許多超大質量黑洞碰撞的背景嗡嗡聲。 只有最接近、最大的才能超越噪音。
碰撞的黑洞
此模擬顯示了兩個黑洞碰撞時如何輻射重力波。 黃線是黑洞周圍具有強引力交互作用的區域。 波紋狀的紅色薄片是重力波，天文學家希望透過脈衝星計時觀測來偵測到重力波。 這些波改變了地球與各種脈衝星的距離。 這就像透過測量船（地球）的運動來檢測海洋上的波浪。
美國太空總署/C. 亨澤
亨德利說，如果 LIGO 或脈衝星計時陣列沒有偵測到任何東西，這並不一定意味著廣義相對論有問題。 這可能僅僅意味著關於這些碰撞的假設是不正確的（SN 線上：2015 年 9 月 24 日）。 這是一些研究人員試圖說服歐洲太空總署發射衛星的原因之一LIGO 的天基版本，稱為 eLISA（用於進化的雷射干涉儀太空天線）2028 年。聲。
「我們會看到成百上千個這樣的物體，而且幾乎是有保證的，」蓋恩斯維爾佛羅裡達大學的物理學家吉多·穆勒 (Guido Mueller) 說。
這些依偎的恆星已經經過充分研究，將測試 eLISA 的能力和廣義相對論的預測。 eLISA 也將監控其他星系中的雙超大質量黑洞，天文學家對這些星係知之甚少。 對 eLISA 來說，天空確實是極限。
「eLISA 基本上應該能看到[黑洞]只要它們存在，」亨德利說。 繞軌道運行的瞭望塔將清晰地感知可見宇宙邊緣的碰撞，追溯到時間的黎明。 亨德利說：“最終將會出現一個不再有黑洞的時刻，因為它們還來不及形成。” 他補充說，對早期宇宙中的雙超大質量黑洞進行普查，可能有助於研究人員了解這些黑暗二重奏在大爆炸後數十億年左右的星系形成過程中發揮了什麼作用（如果有的話） 。
在人們知道宇宙正在膨脹之前，廣義相對論就出現了，當時天文學家無法確定天空中那些模糊的光點其實是其他星系。 現在天文學家已經準備好開始探討有關宇宙的一些基本真理，從第一批恆星和星系的形成到宇宙運轉的原因。 在發表一百年後，愛因斯坦的理論可望進一步揭開宇宙的帷幕。
本文發表在 2015 年 10 月 17 日的《科學新聞》上，標題為「放大宇宙：利用廣義相對論深入太空」。
