天文學(xué)物體雖然非常適合觀測,但并不會(huì)主動(dòng)配合實(shí)驗(yàn)——我們不能在空間中移動(dòng)透鏡(如一個(gè)星系),來看看可以產(chǎn)生什么樣的圖像。我們能做的是通過一個(gè)塑料透鏡模型或計(jì)算機(jī)軟件,來模擬可能產(chǎn)生的圖像。圖4—7(a)是在黑背景上未經(jīng)透鏡折射的原始問號圖像,它代表一個(gè)遙遠(yuǎn)的光源。旁邊的一幅則是在問號正上方放置一個(gè)引力透鏡后的效果。在經(jīng)過透鏡后所得的光環(huán)中,原有問號的細(xì)節(jié)已經(jīng)很難辨認(rèn)了。

在這種情況下,愛因斯坦環(huán)不會(huì)出現(xiàn),取而代之的是兩個(gè)分立的問號圖像——其中一個(gè)圖像尺寸較小,亮度較暗,且上下顛倒。圖4—6(b)描繪了這種情形下的光行路徑。和圖4—7(b)中透鏡處于問號正上方的情況不同,在這里旋轉(zhuǎn)對稱性將不復(fù)存在,而光將從天空中兩個(gè)不同的方向到達(dá)我們面前。

如果我們將鏡頭不斷向左移,較暗的圖像會(huì)越變越小、越變越暗,直到最后完全消失,只留下一個(gè)單一的影像。雖然這個(gè)影像仍然會(huì)受到透鏡的些微影響,并發(fā)生位置偏移和亮度增加,但所有這些效果都將隨透鏡的遠(yuǎn)離而消失。最終,呈現(xiàn)在我們面前的只剩下原來的問號。

在單一影像和雙重影像之間的分界線是一個(gè)圓——一個(gè)被稱為愛因斯坦半徑的環(huán)繞鏡頭的假想圓環(huán)。處于這個(gè)圓內(nèi)的遠(yuǎn)方光源,如類星體或星系,將在透鏡的作用下形成兩個(gè)影像——一個(gè)又小又暗且上下顛倒,另一個(gè)則是原像的放大版本。如果光源不在圓內(nèi),我們將只能看到一個(gè)單一的影像

透鏡效應(yīng)的尺度

愛因斯坦半徑為透鏡效應(yīng)提供了一個(gè)自然的尺度。從某種意義上說,這是刻畫引力透鏡有效作用范圍的一種方式。愛因斯坦半徑的大小取決于透鏡產(chǎn)生的時(shí)空凹陷的大小和強(qiáng)度——透鏡的質(zhì)量越大,與之對應(yīng)的愛因斯坦半徑就越大。同時(shí),它也取決于透鏡在光源和觀測者之間的位置。當(dāng)透鏡處于二者正中間時(shí),愛因斯坦半徑將達(dá)到最大值,而當(dāng)透鏡偏離這個(gè)理想的焦點(diǎn)時(shí),無論是向前還是向后都會(huì)使半徑變小。這類似于通過前后移動(dòng)透鏡來調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn),以得到適合不同人視力的焦距,因此也被視為一種聚焦效應(yīng)。當(dāng)透鏡位于觀測者與光源的正中間時(shí),引力透鏡的效果將達(dá)到最大值。