爱因斯坦半径还规定了爱因斯坦环的大小,以及多重影像间的最大间距,它将指导我们对各种新奇透镜效果的观测。
复制、放大和拉伸
正如上文所述,一个尺寸远远小于爱因斯坦半径的点光源(如恒星或类星体),在引力透镜的作用下可能会呈现出一个放大的图像、两个图像,或一个爱因斯坦环。但如果透镜或光源(或二者皆有)的情形变得更加复杂,则有可能产生更有趣的影像。
我们讨论的第一类复杂性是在这个系统中引入一个形状并非标准圆形的透镜。对一个椭圆星系而言,它所具有的大小和形状塑造了一个完全不同于简单情形的透镜。和前面描述的例子相比,它不再具有球对称性——椭圆有一个长轴和一个短轴——因此它的取向为透镜方程增加了另一个变数。这样一个透镜产生的图像,将不仅取决于透镜、光源和观察者的相对位置,也同样依赖于椭圆轴线的方向。一个几乎处于椭圆形星系正后方的类星体,可以在透镜后形成四个分立的影像15——它们有规则地排列在透镜星系的周围,并构成一个被称为爱因斯坦十字的图形
接下来,我们再尝试给光源添加一些结构。类星体本质上属于点光源,因此这些(根据定义)没有形状的点只能被放大或复制,而不能被扭曲。与之相比,星系由于具有各种不同的大小和形状,产生的情况可能会更复杂一些。事实上,如果一个光源星系几乎位于一个透镜的正后方,它既可能被放大和复制,也可能被拉伸。在上面讨论的简单模型中,作为光源的那个问号可以很好地帮助我们阐明这一现象。在经过透镜作用后,我们得到的影像将不再是原始问号的简单复制,而是以透镜为中心拉伸和扭曲之后的图像。如果我们在图中画出爱因斯坦环,就会发现两个问号影像一个位于环内,一个位于环外,且都顺着环的弧度发生弯曲。
彩图C.2给出了这种扭曲的一个极端情形。照片中心的橙红色物体是一个约60亿光年以外的大型椭圆形星系。它所产生的引力透镜效应,直接影响了一个几乎位于它正后方,距我们约100亿光年的星系。在这个大质量透镜星系所产生的时空弯曲的作用下,从更远的星系出发的光被拉伸成一条蓝色的光弧,出现在图中透镜星系的上方。
