引力透镜模拟器

引力透镜交互式模拟:拖动大质量天体弯曲时空,观测爱因斯坦环、多重成像和弧形畸变

引力透镜视图

引力透镜

爱因斯坦的广义相对论预言,大质量物体会弯曲其周围的时空。当来自遥远光源的光线经过前景大质量天体附近时,其传播路径会被这种曲率偏折。这个演示使用的是“椭圆透镜势 + 外部剪切”的强透镜玩具模型,这是产生真实四像构型所需的最小扩展。偏折场仍然由爱因斯坦半径控制,而椭圆率会拉伸临界曲线,外部剪切会旋转并倾斜成像几何。核心可观测现象仍然是多重成像、放大以及沿切向的弧形拉伸。

爱因斯坦环与十字

当光源、透镜和观测者几乎完美对齐时,光源会呈现为接近完整的爱因斯坦环,其角尺度由爱因斯坦半径决定。对齐略微破坏后,环会分裂成明亮的弧。如果透镜不是完全圆对称的,并且光源落在由椭圆率和外部剪切共同形成的菱形焦散线内,就会出现经典的四像“爱因斯坦十字”。拖动透镜会改变源偏移 beta,而椭圆率和剪切强度决定系统更倾向于形成两像、四像还是近似闭合的环。

应用

暗物质测绘:引力透镜无论透镜是可见的还是暗的都会弯曲光线,这使它成为探测暗物质分布最直接的手段。弱引力透镜巡天(DES、KiDS、Euclid)通过测量数百万星系的微小相干畸变来绘制大尺度结构图。星系团的强引力透镜产生壮观的弧形和多重像,揭示星系团的质量轮廓。系外行星探测:微引力透镜当前景恒星经过背景恒星前方时发生,会暂时放大背景星的光度。如果前景恒星有行星,光变曲线会出现一个短暂的额外凸起——通过此方法已发现 200 多颗系外行星。宇宙学:多个像之间的时间延迟(如 H0LiCOW 项目)可以独立测量哈勃常数 H₀。星系演化:引力透镜放大效应充当天然望远镜,使观测早期宇宙中原本太暗的星系成为可能(如 JWST 利用星系团透镜)。检验引力理论:将透镜质量与 X 射线/动力学质量进行比较,在星系尺度上检验广义相对论。

使用指南

画布显示的是被引力透镜扭曲后的背景源平面。拖动黄色透镜可以改变源偏移,并实时观察成像构型如何切换。调整透镜质量会改变爱因斯坦半径和整体偏折强度;光源距离则用于缩放有效透镜强度。先从“完美对齐”开始观察接近完整的爱因斯坦环,再切到“微小偏移”看它裂成两侧弧。 “巨弧”会增强透镜强度和非对称性,展示更明显的拉伸效果;“爱因斯坦十字”则使用更强的椭圆率和外部剪切,使中心附近的光源落入四像焦散线内。背景网格用于观察映射扭曲,源星系用于显示透镜后的图像,光线用于展示风格化的源到像路径,爱因斯坦环用于叠加参考临界尺度。