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,它將指導我們對各種新奇透鏡效果的觀測。

復制、放大和拉伸

正如上文所述,一個尺寸遠遠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)的情形變得更加復雜,則有可能產生更有趣的影像。

我們討論的第一類復雜性是在這個系統中引入一個形狀并非標準圓形的透鏡。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,它不再具有球對稱性——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。這樣一個透鏡產生的圖像,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構。類星體本質上屬于點光源,因此這些(根據定義)沒有形狀的點只能被放大或復制,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,產生的情況可能會更復雜一些。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象。在經過透鏡作用后,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)現兩個問號影像一個位于環(huán)內,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。它所產生的引力透鏡效應,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。在這個大質量透鏡星系所產生的時空彎曲的作用下,從更遠的星系出發(fā)的光被拉伸成一條藍色的光弧,出現在圖中透鏡星系的上方。