艺术家画笔下的引力透镜_风闻

原创：牧夫天文

为了分享自己研究的那些优美但极其复杂的现象，一位女天体物理学家求助于艺术家。

作者：ANNA BARNACKA

翻译：王克义

校对：牧夫天文校对组

排版：陈卓

长久以来，艺术与科学之间的互动影响着我们认识和理解世界的方式。在文艺复兴时代，艺术家将精力集中在利用数学精确描绘景深上，从而重新发现了在中世纪曾被人们遗忘的线性透视效果。在1880年代，艺术家们通过研究物理学家兼色彩理论家奥格登·鲁德（Ogden

Rood）所描述的光与色彩的混合，来捕捉对周围景物的印象。但是如今，我们的科学努力已经如此面面俱到，以至于它们把艺术创作的可能性限定在了灵感和表达。

我利用强引力透镜来揭示遥远、活跃的星系的复杂结构。出于分享自己研究的热情，我曾经带领听众踏上从地球到一个居间星系的虚拟旅程，并跨越它，飞向被它的透镜作用影响的背景光源。作为这艘“飞船”的领航员，我用戏剧化的手势引导大家追随透镜星系撕裂光而产生的多重光路。遗憾的是，由于这些光路太过纷乱，即使是好奇心最强的听众，也会在透镜和光源之间的某处跟不上我的讲解。这种情况往往正好发生在我开始分享自己的实际研究工作之前（我研究的是，从那些背景活跃星系中超大质量黑洞附近发射的强大喷流爆发的起源）。因此，讲解的效果总是差强人意。

多亏了与艺术家马莲娜·博西安·休伊特（Marlena Bocian Hewitt）的合作，我终于能让听众保持注意力了！马莲娜利用美术来促进女性对科学、技术、工程、艺术和数学的理解。我渴求把艺术融入自己的研究，因此我请马莲娜为透镜效应的作品配上插图。在画了十几稿之后，马莲娜交出了一幅充满魅力的艺术作品（上图），我们获得了在科学上令人满意的成果。

这幅画作完美地呈现了一个受到透镜作用影响的、带有一对相对论性喷流（被加速到接近光速的电离物质束）的活跃星系。逃离喷流的光线朝向观察者运动，遭遇到观察者视线方向上的一个星系。居间星系弯曲了时空，就像透镜放大并沿多重路径分裂光源的光线一样。这些路径长度不同，并且通过透镜星系引力井的深度各异。结果，沿不同路径的光线在不同的时间到达观察者（请注意图中“观察者”星系内的小望远镜标记）。我们可以测定这些时间延迟，而且因为它们取决于光源的位置，我们可以通过研究它们，来发现光来源于相对论性喷流沿线的哪个部位。

立体派绘画的代表作——毕加索的《格尔尼卡》（译者添加）

未来主义绘画的代表作——翁贝托·波西奥尼(Umberto Boccioni)的《笑》（译者添加）

马莲娜同时用立体派和未来主义表现引力透镜。有趣的是，立体派和相对论都从数学家亨利·庞加莱（Henri

Poincaré）的几何学研究中获得过灵感。在爱因斯坦的广义相对论中，他利用空间和时间的几何化预言了光线的弯曲。在立体派中，毕加索、布拉克（Georges Braque,1882—1963，法国立体主义绘画大师）和其他大师抛弃了单一视点，依靠几何图形和连结平面来表现实体。

我们科学家必须严守物理定律和由观测设定的界限。幸运的是，有抽象艺术家可以带领观众超越四维时空，进入浩瀚宇宙，直到他们想象力的尽头。

作者简介

安娜·巴纳卡（ANNA BARNACKA），是哈佛-史密森天体物理学中心和波兰加格罗林大学的天体物理学家，她还是一位发明家出身的企业家。在空闲时间，她热衷于神经系统科学、武术和飞机驾驶。

本文选自美国《天空与望远镜》杂志（Sky & Telescope）2019年第2期

引力透镜一例：哈勃望远镜拍到的“笑脸”（译者添加）

图片来自：宇宙奥秘（译者添加）