类星体经引力透镜成像成单数还是双数像? | 目的地Destination

类星体经引力透镜成像成单数还是双数像?

非常好的问题!非常适合纠正一个爱好者常有的误会!这个答案有好几个转折,希望你有耐心看完:

一个质量有限,引力势没有奇点,且允许光线透过的质量分布作为透镜,必成奇数像。这个约定俗成叫做 Odd-number Theorm (奇数像定理)

说人话就是:星系作为透镜,背后的类星体这样的天体在观察者眼里一定是成奇数像的。如果前景“透镜”是一个点源 (比如,孤立的超大质量黑洞。。。) ,在源和象不完美对齐的时候的确是成两个像的。

这个想法首先由 Dyer & Roeder 1980 对质量分布为椭球的星系提出;Burke 1981 进行了推广,得到了上面陈述的更一般的奇数像定理;而严格的微分拓扑数学证明是 McKenzie 1985 年给出的。关于这个定理在几何上的严格性似乎还有一点争议 (例如:Gottlieb 1994),但是在天文上有物理意义的情况下都是成立的。我是数学白痴,所以不乱说任何数学上的东西了,如果你真的感兴趣,可以看这篇专门讲引力透镜背后数学的讲义。在这里,作者利用Poincare-Hopf指数定理给出了证明。

Dyer & Roeder 1980 的文章是从简单几何角度出发考虑的特定情况,还是可以看懂的。如果不用任何数学来说的话,就是:引力透镜成像可以看成是从源所在的平面向成像平面的一个向量空间上的映射。从源 (类星体) 发出的光只有在特定的方向上可以到达观测者的眼里,就是成像。这个过程可以写成一个方程,可以证明,解的个数总是奇数的。Dyer & Roeder考虑的情况是二维平面上的,解的个数是1个或者3个。而对于三维的情况,解的个数可以是1个,3个,或者5个。

写到这里,你可能会觉得答案还是非常反直觉的。因为的确那么多观测到的透镜类星体都是如提问者所说的两重像或者四重像呀?这是因为,理论上能成像,但实际上能不能看到是另外一回事。像的相对强度和位置是受前景透镜质量分布影响的,可以有各种变化。

如果源是点源,透镜质量分布对称,源和像严格对齐,那么只成一个像。这个像的位置就是透镜的中心,所以几乎观测不到的。对不满足这些情况的透镜,奇数像 (3个或者5个) 中总有一个会距离透镜的中心非常接近,换句话说,离透镜本身光度分布最强的地方接近;而且这个像的强度往往很弱。。。所以观测上非常难看到。我打开闪光灯,要你告诉我闪光灯旁边有没有一个LED指示灯,你估计会掐死我的。。。需要说明的是,在寻找透镜类星体的时候,经常会看见只有三个像的情况。这其实是因为有两个像都离中心过近或者过于暗淡了。(参考文章开头的图,答案就是能看到三个:围着星系中心成弧形分布的三个颜色比较蓝的点状天体)

然鹅 (转折又来了!),这个中心像非常重要!

我们都知道引力透镜是广义相对论恩赐给天文学家的一个超级工具!一个现象,仅仅和源到像之间的爱因斯坦半径以内的总质量的分布有关,和任何具体的物理过程都没关系!所以,利用引力透镜研究星系和大尺度上的质量分布,尤其是很可能占主导的暗物质的质量分布是再好不过了。

透镜类星体这样珍稀的天体更是研究星系中心质量分布的最好工具了。关于星系中心有没有暗物质,暗物质占多少?暗物质质量分布受不受重子物质的物理过程影响?中心的质量分布是平下来 (所谓Core)还是翘上去 (所谓Cusp)?这些都是天文学家们到现在还在掐架的问题。在这些问题上,暗弱中心像的作用就体现出来了:这个像的位置和强度对中心质量分布很敏感,如果能观测到,可以帮助我们解开前面说的问题的答案!关于这点,Rusin和马中珮 2001年的文章, 毛淑德,Witt和Koopmans 2001年的文章, Keeton 2003年的文章都是是比较好的读物。

基本上说,星系中心的质量分布越集中,越致密,中心像的位置就越靠中心 (用天体物理语言就是 Steeper central density profile),越难被观测到;注意这里说的是总质量分布,暗物质有发言权的。反之,质量分布越“平坦”,中心像就越容易被看到。

当然,理论上证明容易,观测上找到的确是很难很难的。到目前为止有确认的暗弱中心像的透镜类星体是很少的。首先你要能扣除一个近于完美的前景星系的模型;然后要在残差图像各种乱七八糟的结构里找到一个暗弱的天体;然后你要去跑各种透镜质量分布模型,让这个像的位置能和模型对上;最好还能够确认这个像的能量分布 (观测到的颜色) 和其他像一致。。。这是非常需要细致。。。和运气的工作。

一开始大家认为最有希望的探测方式是用具有超高分辨率的甚长基线射电干涉阵列来看透镜类星体附近的射电连续谱。不仅仅是因为分辨率高,而且因为如果赶上运气好,背景的类星体是射电噪的 (黑洞产生的喷流的同步加速辐射释放出巨大的射电能量),而前景透镜星系没有强烈的射电活动,在射电连续谱上,前景透镜星系是“透明”的。比如 Winn, Rusin, & Kochanek 2003 年观测到的这个:

这篇文章发表在ApJ上,只是说“Possible”。作者们其实对五个类似的系统做了研究,都找到了中心像的候选,但大多数可能性很低。再过了一年,他们才比较确信这个 J1632-0033真的是找到中心像了,于是忙不迭地刷了篇Nature....

当然,并非只有射电波段才能成功,毕竟也不是所有的背景类星体都那么听话的有强射电连续谱辐射。只要分辨率给力,一样可以出奇迹!2005年,东京大学的稻田直久和当时还在普林斯顿大学的大栗真宗领导的团队,利用哈勃空间望远镜的红外照相机NICMOS在透镜类星体系统 SDSS J1004+4112主要透镜星系中心旁边0.2角秒的地方,找到了一个可信度很高的透镜系统的第五个中心像!当然,这也仅仅是可能的候选。

相信你看了这几个例子后,应该能理解这个观测的难度在哪里了。到目前为止,可能性比较高的中心像观测例子都是很少的。

2008年,萌萌的大栗真宗卷土重来,这次是在一个星系团整体暗物质晕为透镜的透镜类星体系统里找到了三重像。在这个特例下,由于前景星系团质量分布的给力,第三像其实不在星系团中心,分离度更高,而且亮度也不错,直接得到了光谱认证!结合文章里给出的漂亮的透镜模型 (图三),这个稀有的星系团透镜类星体甚至被用来给冷暗物质宇宙学模型站台。(

在这之后,天体物理进入了大视场巡天观测的时代,而类星体透镜研究也再不是零敲碎打的个案分析了,而是进入了系统的图像搜索,后续高分辨,光谱认证观测时代。但即便如此,系统的搜索透镜类星体依然不是很容易的事情。目前,全自动图像分析,机器学习等技术纷纷加入战局,相信未来一定会有更多的透镜类星体中心像被挖掘出来的。

最后,用PanSTARRS团队去年发现的一个非常漂亮的透镜类星体五重像奖励还真的读到了最后的你吧。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:黄崧

【知乎日报】千万用户的选择,做朋友圈里的新鲜事分享大牛。 点击下载

此问题还有 1 个回答,查看全部。

分享

类星体经引力透镜成像成单数还是双数像?:等您坐沙发呢!

Leave your comment