为何类星体经引力透镜成像大多成双数像？

这个问题问的很好，好在哪里呢？我举个栗子：

看过电影《星际穿越》的人想必一定对电影里的超大质量黑洞卡冈图雅和绚丽的吸积盘（图一）记忆犹新，也相信人们一定会对卡冈图雅的吸积盘感到些许诧异。那么，如果你是和女朋友一起看的这部电影，当她问起你“为什么除了水平面上的吸积盘，在垂直方向上也有一个圆环呢？”的时候，你打算怎么回答呢？而题主提出了这个问题，就给了你们看到我的答案之后在女朋友面前增加印象分的机会，这就是问题为什么好。（跑）

以下是正文：

既然题主问“为何类星体经引力透镜成像大多成双数像？”那我就先从引力透镜介绍起吧。

引力透镜

和黑洞一样，引力透镜也是广义相对论预言的产物。由于引力的作用，遥远的天体（源）发出的光线经过一个大质量天体（类星体/黑洞/恒星/星系/星系团/暗物质团快/暗晕）附近时会发生偏折，这种现象就叫做引力透镜。而产生透镜现象的天体自然而然的就被称为透镜天体。

上一段说了引力透镜是广义相对论预言的产物，那广义相对论是如何预言的呢？

阿尔伯特·爱因斯坦在提出广义相对论时曾表示：光线经过太阳表面附近时会由于太阳的引力作用而产生弯曲，导致光源的像会发生移动。

如图二所示，设透镜天体是一个质量为 $M$ 的球对称天体， $z$ 轴是观测者的方向（即光线从 $z$ 周方向入射），碰撞参数为 $b$ （近似看做半径 $R$ ）。由此，爱因斯坦便得出光线偏折角 $\alpha\simeq\frac{4GM}{b}$ ，因此光线经过太阳附近产生的偏折角 $\alpha_{\odot}\simeq\frac{4GM_{\odot}}{R_{\odot}}\simeq1.75''$ 。而由于太阳光十分强烈，爱因斯坦做不到中国古代著名文学奖沈复同志那样“能张目对日”，只好等一个日全食的机会。

然后，这个机会被亚瑟·爱丁顿爵士等到了。

说到广义相对论，爱丁顿便是一个绕不开的槛，毕竟这是当年号称“全世界只有三个人懂相对论，爱因斯坦和我，第三个我也不知道是谁”的老哥。

1919年5月29日，也就是广义相对论提出后四年，爱丁顿领导下的两个日食观测队分别在巴西和几内亚的两个海岛上观测到了日全食，发现相关现象与爱因斯坦预言的吻合的非常好，引力透镜效应获得证实，并且给了新生的广义相对论以强力的佐证。

引力透镜介绍完了，那么，为什么引力透镜会产生两个像呢？

卡冈图雅

我以开头提到的电影《星际穿越》中的超大质量黑洞卡冈图雅和它的吸积盘为例来介绍。

从图一中，我们可以看出，卡冈图雅的吸积盘在垂直方向上很大的弯曲。而众所周知，《星际穿越》的科学顾问是2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩。作为一个严谨的物理学奖，也是黑洞吸积盘领域的开拓者之一，索恩用无数的细节构造了卡冈图雅和它的吸积盘（想了解吸积盘详情的可以参见Note：“卡冈图雅”中的吸积盘），其中当然包括引力透镜效应。

我们知道光是沿直线传播的，而黑洞周围的空间都是弯曲的，所以光传播的路线也被弯曲。因此，如图三所示（忽略我的幼儿园画风）光会被分成两条沿着空间曲面传播，这些光线都会使吸积盘成像。

因此引力透镜效应会使吸积盘产生两个像，上下方各一个。

强引力透镜

卡冈图雅只是我举得一个比较形象直观的栗子。实际上，现实中，透镜天体的质量大小和分布都是任意的，而三维空间中的光线轨迹是一道曲线，可以绕过透镜天体，也可以从中穿过，这样造成的像除了双像之外还有多重像（图四）。

此外，如果一个点光源恰巧位于光轴（图二所示的 $z$ 轴）之上，那么点光源的成像将变为一个光环，即爱因斯坦环（图五）。

而根据透镜天体的不同，所成的像也会出现不同的特点。

如果透镜天体可以看做一个质点（黑洞/恒星/类星体），那么无需考虑其质量分布，于是这类引力透镜效应一般会呈现两个像（这也就解释了题主所问的为何类星体经引力透镜成像大多成双数像）。而当透镜天体是星系或者星系团是（这也是引力透镜效应的大多数情况），必须考虑质量分布，这种情况下，更容易产生多重像或爱因斯坦环。

这种会呈现处双像、多像或者爱因斯坦环的引力透镜效应，被称作强引力透镜。

既然有了强引力透镜，那自然而然的也就有了弱引力透镜和微引力透镜。

弱引力透镜

弱引力透镜是指透镜的左右不够强，以至于没有产生多重像，但是引起像发生了几何畸变。

自2000年开始，弱引力透镜迎来了黄金时期，在宇宙学观测特别是宇宙大尺度结构和遥远星系方面有着重要的意义，对于理解暗物质、暗能量、引力性质、宇宙初始扰动和宇宙创生机制等理论意义深远。而最近比较火的暗物质搜寻，有一个主流方法便是依赖于弱引力透镜效应（前文我们提到透镜天体可以是暗物质团）。

微引力透镜

微引力透镜是指，透镜星系中的恒星由于自身运动靠近背景光源发出的光线在穿过透镜星系形成像时所呈现出来的强度上的涨落。而这也对于搜寻暗物质有着重要的意义，天文学家相信，微引力透镜可以给暗物质提供直接的观测证据。

参考文献：

[1].基普·索恩, 索恩, 苟利军,等. 星际穿越[M]. 浙江人民出版社, 2015.

[2].陆埮. 现代天体物理[M]. 北京大学出版社, 2014.

[3].向守平. 天体物理概论[M]. 中国科学技术大学出版社, 2008.

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：不拿诺奖不改名

【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。