6亿光年!科学家发现最近的爱因斯坦环,背后藏着什么秘密?

爱因斯坦环

前不久看到新闻说“科学家发现了最近的爱因斯坦环”。什么是“爱因斯坦环”?发现它有啥用呢?

简单来说,爱因斯坦环是一种特殊的天文现象。当年,爱因斯坦的广义相对论刚刚提出后不久,很快他便预言:如果一个大质量天体(比如星系或星系团),当它位于地球和另一个发光天体(比如一个更加遥远的星系)之间,并且三者几乎精确对齐时,那么大质量的天体的引力场将会使遥远光源发出的光线发生弯曲,该效应被称为“引力透镜(gravitational lensing)”效应。

根据尺度和效果不同,引力透镜可以分为微引力透镜、弱引力透镜以及强引力透镜。微引力透镜一般是由恒星级天体引发,光线偏转非常微弱,通常情况下无法直接观测到透镜所成的像,只能看到天体的光度有瞬间增强现象。而弱引力透镜就会明显一些,因为它的规模更大,通常由一整个星系引起。要说最为明显的,那还得是强引力透镜,它的前景天体一般是庞大的星系团(至少也得是个大个头的椭圆星系)。这些天体质量巨大,足以严重扭曲路过的光线,甚至能让背景光源产生多个像。

比如著名的“爱因斯坦十字(Einstein Cross)”,它就是背景光源在前景天体周围产生的上下左右四个像,连起来就像个“十”字,因此被称为“爱因斯坦十字”。假如前景天体的质量分布比较均匀且高度对称,而背景光源也相对较大(不是那种小光点,而是大一些的光斑),那么这时候强引力透镜甚至能让背景光源从光斑直接变成一个圆环,这便是“爱因斯坦环(Einstein ring)”。

虽然这些现象早在百年前就被预言,但受限于技术,当时的人们还没办法通过观测去验证。直到后来,随着射电天文学的发展,1988年天文学家通过甚大天线阵列(VLA)才发现了第一个爱因斯坦环(MG1131+0456)。不过因为是通过射电方式,所以当时并未完全确认其真实性。后来,随着光学望远镜的进步,人们终于在光学波段也发现了爱因斯坦环。比如1998年哈勃望远镜发现的B1938+666,它被认为是爱因斯坦环的首次明确发现。借助哈勃望远镜,后来天文学家又发现了多个爱因斯坦环。

现如今,其实我们有更加善于发现引力透镜的望远镜,比如2023年刚刚发射的欧几里得望远镜。就在前不久,天文学家在欧几里得的数据中,意外发现了个特殊的爱因斯坦环。特殊的地方在于,先前发现的那些环几乎都在几十亿光年以上,但新发现的这个环距离我们仅有6亿光年(z=0.042),是迄今为止距离我们最近的。

注意:“6亿光年”这个距离实际指的是前景天体的距离(也就是NGC 6505这个椭圆星系到我们的距离),而那个被扭曲图像的真实天体,其实是椭圆星系后方的一个更加遥远的星系,距离我们44.2亿光年(z=0.406)。可以看出,要不是前面这个“放大镜”(NGC 6505),我们可能永远发现不了它背后的那个星系。这也是爱因斯坦环以及引力透镜效应在天文学上的一个用途——它可以放大那些非常遥远的天体,使我们看到和看清更多的细节,这为我们研究宇宙早期的恒星形成以及星系的演化至关重要。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者:Linvo说宇宙

审核:苟利军 中国科学院国家天文台 研究员

出品:中国科协科普部

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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