愛因斯坦半徑還規(guī)定了愛因斯坦環(huán)的大小,以及多重影像間的最大間距,它將指導(dǎo)我們對各種新奇透鏡效果的觀測。

復(fù)制、放大和拉伸

正如上文所述,一個尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于愛因斯坦半徑的點光源(如恒星或類星體),在引力透鏡的作用下可能會呈現(xiàn)出一個放大的圖像、兩個圖像,或一個愛因斯坦環(huán)。但如果透鏡或光源(或二者皆有)的情形變得更加復(fù)雜,則有可能產(chǎn)生更有趣的影像。

我們討論的第一類復(fù)雜性是在這個系統(tǒng)中引入一個形狀并非標(biāo)準(zhǔn)圓形的透鏡。對一個橢圓星系而言,它所具有的大小和形狀塑造了一個完全不同于簡單情形的透鏡。和前面描述的例子相比,它不再具有球?qū)ΨQ性——橢圓有一個長軸和一個短軸——因此它的取向為透鏡方程增加了另一個變數(shù)。這樣一個透鏡產(chǎn)生的圖像,將不僅取決于透鏡、光源和觀察者的相對位置,也同樣依賴于橢圓軸線的方向。一個幾乎處于橢圓形星系正后方的類星體,可以在透鏡后形成四個分立的影像15——它們有規(guī)則地排列在透鏡星系的周圍,并構(gòu)成一個被稱為愛因斯坦十字的圖形

接下來,我們再嘗試給光源添加一些結(jié)構(gòu)。類星體本質(zhì)上屬于點光源,因此這些(根據(jù)定義)沒有形狀的點只能被放大或復(fù)制,而不能被扭曲。與之相比,星系由于具有各種不同的大小和形狀,產(chǎn)生的情況可能會更復(fù)雜一些。事實上,如果一個光源星系幾乎位于一個透鏡的正后方,它既可能被放大和復(fù)制,也可能被拉伸。在上面討論的簡單模型中,作為光源的那個問號可以很好地幫助我們闡明這一現(xiàn)象。在經(jīng)過透鏡作用后,我們得到的影像將不再是原始問號的簡單復(fù)制,而是以透鏡為中心拉伸和扭曲之后的圖像。如果我們在圖中畫出愛因斯坦環(huán),就會發(fā)現(xiàn)兩個問號影像一個位于環(huán)內(nèi),一個位于環(huán)外,且都順著環(huán)的弧度發(fā)生彎曲。

彩圖C.2給出了這種扭曲的一個極端情形。照片中心的橙紅色物體是一個約60億光年以外的大型橢圓形星系。它所產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng),直接影響了一個幾乎位于它正后方,距我們約100億光年的星系。在這個大質(zhì)量透鏡星系所產(chǎn)生的時空彎曲的作用下,從更遠(yuǎn)的星系出發(fā)的光被拉伸成一條藍(lán)色的光弧,出現(xiàn)在圖中透鏡星系的上方。