透镜星系的非距离红移
透镜星系的非距离红移
引力透镜现象是现代天文学中一个非常重要的现象，它不仅帮助我们观测到了遥远的宇宙深处，还为我们提供了研究宇宙结构和暗物质的重要线索。本文将从光线弯曲的基本原理出发，探讨引力透镜现象，并介绍一种新颖的光线弯曲解释理论。
光线弯曲和引力透镜现象
光线弯曲
早在1704年，牛顿就提出了大质量物体可能会使光线发生弯曲的观点。后来，法国天体力学家拉普拉斯也提出了类似的看法。1804年，德国索德纳预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折。1916年，爱因斯坦在广义相对论框架里计算太阳对光线的弯曲，其偏折度为1.74角秒。1919年日全食期间，由爱丁顿等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛和巴西的索布腊儿尔两地观测，观测结果分别为1.61"和1.98"，与爱因斯坦广义相对论的预期基本相符。
图1. 光线弯曲示意图
引力透镜
广义相对论预言了光线经过大质量天体附近时会发生弯曲。如果在观测者到光源的直线上有一个大质量的天体（前置天体），则观测者会看到由于光线弯曲而形成的一个或多个像，这种现象称之为引力透镜现象。图2是类星体的引力透镜的几何示意图。
图2. 引力透镜示意图
光线弯曲的同频互扰解释
光线弯曲的同频互扰解释主要论点如下：对于遥远碰撞星系的观测表明：
- 星系碰撞对可观测大质量发光星球基本没有影响
- 星系碰撞中都存在大量不发光的炙热气体
- 星系碰撞中存在暗物质的星系都使用了“引力透镜”原理反演星系质量
- 通过“引力透镜”原理反演的星系质量与不发光的炙热气体分布分离
- 通过“引力透镜”原理反演的物质质量远远大于发光星球的质量
这些现象反映广义相对论中的引力透镜原理存在如下问题：
- 微观作用机理无法解释：引力是由引力子传播的，光是由光子传播的，引力子和光子基本上不发生作用，因此引力弯曲光线从微观机理上无法解释
- 爱因斯坦发表广义相对论时并未对时空结构做详细的描述，更未对引力怎样弯曲时空作详细描述
- 如果引力弯曲了时空，那么星系碰撞中，作为主要质量来源的不发光炙热气体也应该对弯曲时空作出贡献，但观测事实是通过“引力透镜”原理反推的星系质量与不发光炙热气体分布分离，说明“引力透镜”原理反推的星系质量未反映不发光炙热气体的质量
- 大大缩小了远距离高亮度星球对光线弯曲的弯曲程度。天文观测显示：一般碰撞星系距离地球都比较远，我们之所以能观察到这些星系，是因为这些星系中的星球发光亮度比太阳的亮度大得多，对部分星球的统计显示：远距离星球的亮度/质量比是太阳亮度/质量比的上万倍。这样从这些星球旁边经过的光线弯曲程度由光线互扰解释就相当于用“引力透镜”解释大了上万倍，由弯曲光线反演的物质，光线互扰解释比用“引力透镜”解释少了上万倍，这样在碰撞星系中就不存在由“引力透镜”原理反推出来的暗物质。远距离星系碰撞观测中光线互扰解释不会反演出暗物质，这符合天文观测的实际。
光线弯曲的同频互扰解释认为：光线从大质量发光星球旁边经过时，其光线弯曲程度与星球发光亮度成正比，与该光线距离星球中心的距离成反比。星系碰撞中的暗物质是“引力透镜”对星球弯曲光线的弯曲程度计算不足形成的。星系碰撞中不存在暗物质。
康普顿效应和光子-光子散射的红移
1923年，美国物理学家康普顿在研究X射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的X光外，还产生了波长λ≥λ0的X光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应。康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，根据能量守恒和动量守恒，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。
图3是可见光经过大质量发光星球旁，光线的弯曲分析示意图。图中Q0Q1是在宇宙中传播的一条光线，S0是光线传播过程中遇到的一个星球，S0会向四面八方发出光线，S0发出的光线会有许多条光线与Q0Q1相交，这些相交光线对Q0Q1都会产生影响，但是影响最大的是与Q0Q1垂直的S0S1，我们用S0S1对Q0Q1的影响代表整个星球S0对光线Q0Q1的影响。Q0Q1与S0S1相交前，Q0Q1受S0影响，实际沿Q0Q2传播，Q0Q2与Q0Q1偏转角为αq，S0S1与Q0Q1相交前，S0S1受Q0影响，实际沿S0S2传播，S0S2与S0S1偏转角为αs，Q0Q2与S0S2相交后，Q0Q2受S0影响，实际沿O1Q3传播，O1Q3与Q0Q2偏转角为βq，S0S2与Q0Q2相交后，S0S2受Q0影响，实际沿O1S3传播，O1S2与O1S3偏转角为βs。
把图3中光线的弯曲作为一个整体，由图4中中间方盒表示，我们不讨论光线具体的弯曲过程，只讨论光线相交前的入射光和光线相交后的出射光变化情况，图4是光子-光子散射分析图，图中δ0为两入射光之间的入射角，δ1为两出射光之间的出射角，对于光线传播的单独光子来说，参考康普顿效应，碰撞过程中动量应该是守恒的。这里由E=mc2得到，光子的动量为，因为波长λ=c/v，所以动量也可以写作p=h/λ：
图3. 光线的弯曲分析示意图
图4. 光子-光子散射图
常见透镜星系的红移
SDSSJ0946 + 1006星系团
SDSSJ0946 + 1006星系团，是个双爱因斯坦环。SDSSJ0946 + 1006由三个星系组成，距离地球分别为30亿、60亿、110亿光年。主透镜位于红移z=0.222，内环位于红移z=0.609，透镜星系也被称为SDSSJ0946 + 1006 L1（距地球30亿光年），更近的透镜星系为SDSSJ0946 + 1006 S1（距地球60亿光年），以及更远的透镜星系SDSSJ0946 + 1006 S2（距地球110亿光年）。由图5可见：星系中央存在一个高亮度星球，另外由于非距离红移的存在，透镜星系SDSSJ0946 + 1006 S1距地球应该小于60亿光年，透镜星系SDSSJ0946 + 1006 S2距地球应该小于110亿光年。
图5. SDSSJ0946 + 1006星系团
图6是S1、S2、L1星系形成透镜的示意图。图中
图6. SDSSJ0946 + 1006星系团透镜示意图
LRG 3-757星系
图7LRG 3-757星系团完整的爱因斯坦环。传统的观点认为：发光的红色星系（LRG）的引力使得来自更遥远的蓝色星系的光被引力扭曲，并由它能够确定前景星系透镜的质量和暗物质含量。光线弯曲的同频互扰解释认为：引起蓝色星系的光被扭曲的原因是爱因斯坦环中心的发光星球发出的光线，而且可以根据中心星球的发光亮度大小和爱因斯坦环的大小，计算出透镜星系的非距离红移。
图7. LRG 3-757星系
引力透镜星系团SDP.81
引力透镜SDP.81星系团，形成一个近乎完美的爱因斯坦环，中间的图像显示了爱因斯坦环的清晰ALMA图像。由图8可见，星系中央存在高亮度发光星球。
图8. SDP.81星系团
星系团SDSS J1038 + 4849
星系团SDSS J1038 + 4849，它是具有引力透镜效应和爱因斯坦环。从图9中看到，在爱因斯坦环中间有两个高亮度天体共同构成透镜星球。
图9. 星系团SDSS J1038 + 4849
SDSSJ0146-0929星系团
SDSSJ0146-0929星系团周围的优美弧线是爱因斯坦环。从图10中看出，爱因斯坦环中间有多个高亮度天体构成引力透镜天体。
图10. SDSSJ0146-0929星系团
SDSS J120540.43 491029.3星系团
SDSS J120540.43 491029.3星系团形成爱因斯坦环，由图11看到，环中央存在高亮度天体。
图11. SDSS J120540.43 491029.3星系团
星系ESO 325-G004
星系ESO 325-G004形成爱因斯坦环，由图12看到，环中央存在高亮度天体。
图12. 星系ESO 325-G004
超新星iPTF16geu
引力透镜效应发现型Ia超新星iPTF16geu（见图13）。
图13. 超新星iPTF16geu
Abell S740星系团
图14是阿贝尔S740星系团（Abell S740），距离地球超过4.5亿光年。ESO 325-G004，简称为ESO 325-4，距离地球约4.65亿光年。它是星系团Abell S0740的主导星系。围绕星系ESO 325-G004轨道飞行的数千个球状星团。
图14. Abell S740星系团
Abell S1063星系团
Abell S1063星系团（见图15），距地球约37亿光年。对阿贝尔S1063的观察，确定了几个遥远星系，包括A-S1063 ID11，红移 = 3.12（116.42亿光年）。
图15. Abell S1063星系团
Abell 2667星系团
彗星星系（Comet Galaxy），距离地球32亿光年，位于星系团Abell 2667中（见图16）。
图16. Abell 2667星系团
SDSS J1152 + 3313星系群
图17是SDSS J1152 + 3313星系群观测图。
图17. SDSS J1152 + 3313星系群
小结
从这些照片可以看出，引力透镜中心都有一个高亮度星球或者星系，从实际图例说明了光线弯曲是由光线从大质量发光星球旁边经过时，可见光与中心星系发出的电磁波连续作用的结果。
结论
我们知道，可见光从太阳旁边经过时，会形成弯曲，光源与观测者中间存在大质量发光星球时，会出现引力透镜现象，根据能量和动量守恒的康普顿效应，弯曲光线会出现红移，这样对于宇宙中具有透镜现象的源天体，它除了具有与距离成比例的哈勃红移外，还具有弯曲光线的非距离红移，因此使用红移计算透镜星系源天体的距离时，应注意先减去光线弯曲的非距离红移。另外，本文用实例说明了透镜星系中心都存在高亮度星系（星系），从而说明了光线弯曲是由可见光从大质量发光星球旁边经过时，可见光与中心星系发出的电磁波连续作用的结果。
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