愛因斯坦環

前不久看到新聞說“科學家發現了最近的愛因斯坦環”。什么是“愛因斯坦環”？發現它有啥用呢？

簡單來說，愛因斯坦環是一種特殊的天文現象。當年，愛因斯坦的廣義相對論剛剛提出后不久，很快他便預言：如果一個大質量天體（比如星系或星系團），當它位于地球和另一個發光天體（比如一個更加遙遠的星系）之間，并且三者幾乎精確對齊時，那么大質量的天體的引力場將會使遙遠光源發出的光線發生彎曲，該效應被稱為“引力透鏡（gravitational lensing）”效應。

根據尺度和效果不同，引力透鏡可以分為微引力透鏡、弱引力透鏡以及強引力透鏡。微引力透鏡一般是由恒星級天體引發，光線偏轉非常微弱，通常情況下無法直接觀測到透鏡所成的像，只能看到天體的光度有瞬間增強現象。而弱引力透鏡就會明顯一些，因為它的規模更大，通常由一整個星系引起。要說最為明顯的，那還得是強引力透鏡，它的前景天體一般是龐大的星系團（至少也得是個大個頭的橢圓星系）。這些天體質量巨大，足以嚴重扭曲路過的光線，甚至能讓背景光源產生多個像。

比如著名的“愛因斯坦十字（Einstein Cross）”，它就是背景光源在前景天體周圍產生的上下左右四個像，連起來就像個“十”字，因此被稱為“愛因斯坦十字”。假如前景天體的質量分布比較均勻且高度對稱，而背景光源也相對較大（不是那種小光點，而是大一些的光斑），那么這時候強引力透鏡甚至能讓背景光源從光斑直接變成一個圓環，這便是“愛因斯坦環（Einstein ring）”。

雖然這些現象早在百年前就被預言，但受限于技術，當時的人們還沒辦法通過觀測去驗證。直到后來，隨著射電天文學的發展，1988年天文學家通過甚大天線陣列（VLA）才發現了第一個愛因斯坦環（MG1131+0456）。不過因為是通過射電方式，所以當時并未完全確認其真實性。后來，隨著光學望遠鏡的進步，人們終于在光學波段也發現了愛因斯坦環。比如1998年哈勃望遠鏡發現的B1938+666，它被認為是愛因斯坦環的首次明確發現。借助哈勃望遠鏡，后來天文學家又發現了多個愛因斯坦環。

現如今，其實我們有更加善于發現引力透鏡的望遠鏡，比如2023年剛剛發射的歐幾里得望遠鏡。就在前不久，天文學家在歐幾里得的數據中，意外發現了個特殊的愛因斯坦環。特殊的地方在于，先前發現的那些環幾乎都在幾十億光年以上，但新發現的這個環距離我們僅有6億光年（z=0.042），是迄今為止距離我們最近的。

注意：“6億光年”這個距離實際指的是前景天體的距離（也就是NGC 6505這個橢圓星系到我們的距離），而那個被扭曲圖像的真實天體，其實是橢圓星系后方的一個更加遙遠的星系，距離我們44.2億光年（z=0.406）。可以看出，要不是前面這個“放大鏡”（NGC 6505），我們可能永遠發現不了它背后的那個星系。這也是愛因斯坦環以及引力透鏡效應在天文學上的一個用途——它可以放大那些非常遙遠的天體，使我們看到和看清更多的細節，這為我們研究宇宙早期的恒星形成以及星系的演化至關重要。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：Linvo說宇宙

審核：茍利軍 中國科學院國家天文臺 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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