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暗物質(zhì)是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，不帶電荷，不與電子發(fā)生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，非常難以探測。但通過引力透鏡效應(yīng)，科學(xué)家得以對之進(jìn)行研究。
那么什么是引力透鏡？引力透鏡在暗物質(zhì)研究中有何作用呢？
星系運(yùn)動、結(jié)構(gòu)模擬和宇宙微波背景中的溫度波動為暗物質(zhì)的存在提供了三種相互獨(dú)立的證據(jù)，越來越多的物理學(xué)家和天文學(xué)家開始試圖了解暗物質(zhì)的成分及其在宇宙中的分布。引力透鏡（gravitational lensing）是探究暗物質(zhì)的“利器”。
類星體、透鏡和暗物質(zhì)
受星系引力透鏡效應(yīng)影響的類星體的圖像為研究“透鏡星系”內(nèi)暗物質(zhì)的分布提供了線索。類星體是發(fā)出大量光線和其它輻射的遙遠(yuǎn)物體。我們可以看到很多星系“背后”的類星體，這意味著類星體發(fā)出的光線必須穿過隔在中間的星系、到達(dá)我們所在的位置。廣義相對論告訴我們，任何星系中的物質(zhì)，不論是普通物質(zhì)還是暗物質(zhì)，都會使時空彎曲。這種彎曲使其光線穿過星系的類星體的圖像發(fā)生“扭曲”。
圖片來源：NASA/ESA Hubble Space Telescope, NASA/Goddard Space Flight Center.
如左上圖所示，當(dāng)一個遙遠(yuǎn)物體（Quasar/類星體）發(fā)出的光線經(jīng)過大型天體（Massive Galaxy/大型星系）射向地球上的望遠(yuǎn)鏡時，大型天體的引力效應(yīng)會使光線路徑發(fā)生彎折。受引力透鏡效應(yīng)影響的物體將會“扭曲”甚至?xí)尸F(xiàn)出不同的圖像（Image of Quasar/類星體成像）。右上圖展示了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的圖像，四個不同的亮點(diǎn)實際上是同一個類星體的圖像。散開的中心點(diǎn)是距離地球更近的星系，這個透鏡星系使類星體發(fā)出的光線發(fā)生彎折，導(dǎo)致類星體看似同時出現(xiàn)在四個地點(diǎn)。
在很多情況下，這種透鏡效應(yīng)會使望遠(yuǎn)鏡中出現(xiàn)幾張同一個類星體的圖像。通過測量該類星體不同圖像的亮度，可以獲得了解透鏡星系內(nèi)部物質(zhì)分布情況的線索。透鏡星系每個部分的物質(zhì)對該部分發(fā)生的時空彎曲起決定作用，因此這些圖像的亮度能夠揭示普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的分布情況。天文學(xué)家通過光學(xué)測量了解普通物質(zhì)的位置，通過多張類星體圖像的亮度追蹤暗物質(zhì)。隨著望遠(yuǎn)鏡靈敏度逐步提升，科學(xué)家將發(fā)現(xiàn)更多透鏡星系，獲得更多關(guān)于暗物質(zhì)分布的線索。
小貼士：
透鏡星系的物質(zhì)的質(zhì)量越大，我們所看到的星體的像就會離星體實際位置越遠(yuǎn)，依據(jù)這個效應(yīng)，我們可以推算出物質(zhì)的分布。這其實就是力學(xué)測量的一種方法。
來自碰撞星系團(tuán)的證據(jù)
另一種探究暗物質(zhì)的有效方式是觀測碰撞的星系團(tuán)。當(dāng)兩個星系團(tuán)發(fā)生碰撞時，一個星系團(tuán)中的暗物質(zhì)在穿過另一個星系團(tuán)時，不會與暗物質(zhì)或普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。但普通物質(zhì)則會與另一個星系團(tuán)中的暗物質(zhì)和普通物質(zhì)以及本星系團(tuán)中的暗物質(zhì)發(fā)生相互作用。碰撞過程中，普通物質(zhì)被本星系團(tuán)中的暗物質(zhì)向前拉伸，被另一個星系團(tuán)中的暗物質(zhì)和普通物質(zhì)向后拉伸。各種拉伸疊加后的結(jié)果是，每個星系團(tuán)中的普通物質(zhì)將被該星系團(tuán)中的暗物質(zhì)“甩在后面”。
小貼士：
兩個星系團(tuán)先是碰撞，接著遠(yuǎn)離。在遠(yuǎn)離時，普通物質(zhì)因為有電磁相互作用，可以被通俗得理解成“黏度較大”的物質(zhì)，所以在遠(yuǎn)離的時候，速度較低。而暗物質(zhì)沒有電磁相互作用，所以遠(yuǎn)離速度比較快。經(jīng)過一段時間演化后，普通物質(zhì)就和暗物質(zhì)分開了。
天文學(xué)家通過兩種方式（星系團(tuán)發(fā)出的可見光和X射線）獲取了一對碰撞星系團(tuán)的圖像（這對星系團(tuán)被命名為“子彈星系團(tuán)”），為驗證上述假設(shè)提供了確鑿證據(jù)。每個子星系團(tuán)中普通物質(zhì)的碰撞使普通物質(zhì)升溫，使碰撞中的一對子星系團(tuán)發(fā)出X射線。錢德拉X射線天文臺于2004年捕捉到一張子彈星系團(tuán)的X射線照片，鎖定了普通物質(zhì)在兩個子星系團(tuán)中的位置。與此同時，整個子彈星系團(tuán)會通過引力透鏡效應(yīng)使位于它后面的星系的圖像發(fā)生扭曲（對引力透鏡效應(yīng)的介紹參見上文關(guān)于類星體的描述）。通過測量背景中被扭曲的星系的形狀，天文學(xué)家能夠確定每個子星系團(tuán)的位置和質(zhì)量。星系團(tuán)中的暗物質(zhì)數(shù)量是普通物質(zhì)的數(shù)倍，因此透鏡測量能夠鎖定暗物質(zhì)的位置，而X射線能夠定位普通物質(zhì)。用兩次測量結(jié)果合成的圖像顯示，暗物質(zhì)在兩個子星系團(tuán)中均“領(lǐng)跑”普通物質(zhì)，從而驗證了推測。
子彈星系團(tuán)的X射線和可見光圖像為暗物質(zhì)的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。
上圖所示的子彈星系團(tuán)圖像是由錢德拉X射線天文臺拍攝的X射線圖像和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的可見光圖像合成的。粉色的團(tuán)是X射線圖中的熱氣體，包含兩個碰撞星系團(tuán)中大部分的普通重子物質(zhì)。藍(lán)色區(qū)域依據(jù)對光學(xué)圖像中的引力透鏡的測量，標(biāo)出了兩個星系團(tuán)物質(zhì)集中的區(qū)域。藍(lán)色和粉色區(qū)域分界明顯，證明兩個星系團(tuán)中的大部分物質(zhì)是暗物質(zhì)。
小貼士：
這同時也是暗物質(zhì)存在的證據(jù)，因為通過X射線所觀測到的普通物質(zhì)分布的區(qū)域，與引力透鏡效應(yīng)所測量到的主要物質(zhì)分布的區(qū)域，幾乎沒有重合，所以進(jìn)一步證明了暗物質(zhì)的存在。