[科普中國(guó)]-愛(ài)因斯坦環(huán)

基本信息

相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，發(fā)現(xiàn)了引力場(chǎng)與引力波都是以光速傳播的，否定了萬(wàn)有引力定律的超距作用。當(dāng)光線由恒星發(fā)出，遇到大質(zhì)量天體，光線會(huì)重新匯聚，也就是說(shuō)，我們可以觀測(cè)到被天體擋住的恒星。一般情況下，看到的是個(gè)環(huán)，被稱為愛(ài)因斯坦環(huán)。 愛(ài)因斯坦環(huán)可以用來(lái)證明暗物質(zhì)的存在，目前科學(xué)家正努力找到暗物質(zhì)。

有時(shí)，引力透鏡效應(yīng)也會(huì)使星體的影像分開成幾個(gè)，比如著名的“愛(ài)因斯坦十字”。1

發(fā)現(xiàn)“哈勃”望遠(yuǎn)鏡在2004年8月到2005年3月的巡天觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了8個(gè)愛(ài)因斯坦環(huán)。其中最完整最清晰的是J162746.44-0053，位于蛇夫座，前置天體距離26億光年，遠(yuǎn)方天體距離55億光年；最遙遠(yuǎn)的是J163028+4520，位于武仙座，前置天體30億光年，遠(yuǎn)方天體距離72億光年。

后來(lái)，哈勃拍攝的更為遙遠(yuǎn)的一個(gè)愛(ài)因斯坦環(huán)，被稱為“宇宙之眼”，公布于2007年10月。前置天體是星系團(tuán)J2135-0102，位于寶瓶座，距離38億光年，遠(yuǎn)方天體距離121億光年。

雙愛(ài)因斯坦環(huán)2008年1月，“哈勃”網(wǎng)站還公布了一張珍貴的“雙愛(ài)因斯坦環(huán)”SDSSJ0946+1006照片。雙環(huán)的形成是因?yàn)樵谝粋€(gè)前置天體后面有兩個(gè)距離不等的遙遠(yuǎn)星系，恰好排列在一條方向上，SDSSJ0946+1006位于獅子座，前置天體距離約30億光年，產(chǎn)生內(nèi)環(huán)幻像的星系距離約60億光年，產(chǎn)生的外環(huán)幻像的星系距離約110億光年。

愛(ài)因斯坦環(huán)——太空中的愛(ài)情信物那個(gè)藍(lán)色巨大的東西是什么，而且能圍繞在整個(gè)星系的周圍？這是一個(gè)引力透鏡幻象。上面影像的左側(cè)是一個(gè)正常白色星系的重力將更遙遠(yuǎn)的藍(lán)色星系發(fā)出的光引力扭曲后得到的結(jié)果。更普遍的情況是，光線的扭曲會(huì)讓遙遠(yuǎn)星系形成兩張獨(dú)立的影像，但是在這里透鏡排列很精確，以至于背景星系被扭曲后，形成了近似于一個(gè)圓環(huán)。因?yàn)橥哥R效應(yīng)是70年前由艾波特.愛(ài)因斯坦預(yù)言提出，所以SDSSJ1430這樣的光環(huán)現(xiàn)在被稱為愛(ài)因斯坦環(huán)。SDSSJ1430是在斯隆透鏡高級(jí)攝像儀觀測(cè)計(jì)劃活動(dòng)期間發(fā)現(xiàn)，這是基于斯隆數(shù)字巡天和哈伯太空望遠(yuǎn)鏡的ACS相機(jī)來(lái)尋找透鏡候選體的計(jì)劃。類似SDSSJ1430的強(qiáng)引力透鏡有很多古怪的事情，它們的多個(gè)特性能讓天文學(xué)家測(cè)定前景星系透鏡中物質(zhì)和暗物質(zhì)的含量。SLACS的數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)被使用，例如，數(shù)據(jù)顯示隨著整個(gè)星系質(zhì)量越大，暗物質(zhì)比例也就越高。而上面影像右側(cè)的插入圖片，從上到下依次是，背景藍(lán)色星系真實(shí)看上去的樣子，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)重新處理后的影像、白色的前景星系、以及引力透鏡下的藍(lán)色背景星系。

我們?cè)谔罩幸材芸吹竭@樣的戒指，它是太空中的愛(ài)情信物——愛(ài)因斯坦環(huán)，它象征著宇宙對(duì)我們?nèi)祟惖牟┐箨P(guān)愛(ài)。看，該圖就是由美國(guó)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的愛(ài)因斯坦環(huán)影像，薄薄的藍(lán)色戒指狀圖案，這是引力透鏡最完美的表現(xiàn)，中心黃紅色的光斑就是大約20到40億光年以外的巨型橢圓星系。

愛(ài)因斯坦環(huán)與引力透鏡“愛(ài)因斯坦環(huán)是宇宙中廣義相對(duì)論最生動(dòng)的示范之一，”哈佛-史密森天體物理中心（CfA）的亞當(dāng)·博爾頓說(shuō)?！斑@為研究宇宙中質(zhì)量最大的星系提供了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)?！?這種光學(xué)幻影是由一種被稱為引力透鏡的彎曲空間所創(chuàng)造的。它本質(zhì)上就相當(dāng)于太空中的一塊巨大的放大鏡，彎曲和放大了更遙遠(yuǎn)天體所發(fā)出的光線。在引力透鏡中，一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出的光線可以被一個(gè)位于視線中間的星系扭曲成一道光弧或者幾個(gè)分離的影像。當(dāng)兩個(gè)星系完全連成一線的時(shí)候，這些光線就會(huì)形成一個(gè)如眼的圖案，包圍著前景星系，這就是所謂的愛(ài)因斯坦環(huán)。

天文學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)將兩組強(qiáng)大的天文數(shù)據(jù)——斯隆數(shù)字巡天和NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)合了起來(lái)，辨認(rèn)出了19個(gè)新的引力透鏡星系，大大地充實(shí)了由此前已知的大約100個(gè)引力透鏡星系所組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)研究這些透鏡候選體所產(chǎn)生的光弧和光環(huán)，天文學(xué)家們能夠精確測(cè)量這些前景星系的質(zhì)量。在這19個(gè)星系之中，他們已經(jīng)找到了8個(gè)新的愛(ài)因斯坦環(huán)。此前只有3個(gè)類似的環(huán)在可見(jiàn)光波段中被看到過(guò)。

這些新發(fā)現(xiàn)的透鏡是由一個(gè)正在進(jìn)行中的計(jì)劃——斯隆透鏡ACS搜索計(jì)劃（SLACS）所發(fā)現(xiàn)的。一個(gè)由CfA的亞當(dāng)·博爾頓和荷蘭卡普坦天文研究所的利昂--庫(kù)普曼斯領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家小組從斯隆數(shù)字巡天的幾十萬(wàn)個(gè)橢圓星系可見(jiàn)光光譜中挑選出透鏡候選體。然后他們?cè)倮霉咝卵蔡煜鄼C(jī)（ACS）的銳利目光來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

“斯隆數(shù)字巡天的巨大規(guī)模，再加上哈勃的成像質(zhì)量，已經(jīng)為發(fā)現(xiàn)新的引力透鏡打開了這個(gè)空前的機(jī)會(huì)，”博爾頓解釋說(shuō)?！拔覀円呀?jīng)成功地從每一千個(gè)顯示出引力透鏡跡象的星系之中辨認(rèn)出了一個(gè)引力透鏡事件?！?/p>

除了產(chǎn)生了古怪的形狀之外，引力透鏡還為天文學(xué)家們提供了最直接的探測(cè)橢圓星系中暗物質(zhì)分布的方式。暗物質(zhì)是一種不可見(jiàn)的奇異物質(zhì)形態(tài)，還沒(méi)有被直接觀測(cè)到過(guò)。天文學(xué)家們是通過(guò)測(cè)量它的引力效應(yīng)而推斷出它的存在的。暗物質(zhì)普遍分布在星系之中，組成了宇宙中的總物質(zhì)質(zhì)量的絕大部分。通過(guò)研究星系中的暗物質(zhì)，天文學(xué)家希望能夠獲得關(guān)于星系形成的更多認(rèn)識(shí)，它們一定是在早期宇宙中的暗物質(zhì)密集團(tuán)塊周圍開始形成的。

“能夠研究這些和其他一些回溯到幾十億年以前的引力透鏡，這使得我們可以直接看到暗物質(zhì)和可見(jiàn)物質(zhì)的分布是否會(huì)隨著宇宙的時(shí)間而發(fā)生改變，”庫(kù)普曼斯說(shuō)?！袄眠@些信息，我們能夠檢驗(yàn)這種被普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)，即星系是由較小的星系相互碰撞和并合而形成的?！?/p>

博爾頓在麻省理工學(xué)院（MIT）發(fā)起的SLACS搜索仍在繼續(xù)，目前研究小組已經(jīng)利用哈勃研究了將近50個(gè)引力透鏡候選體。最后的總數(shù)可能會(huì)超過(guò)100個(gè)，其中包括著更多的新引力透鏡?？偛吭O(shè)在麻省劍橋市的哈佛-史密森天體物理中心（CfA）是由史密森天體物理觀測(cè)臺(tái)和哈佛大學(xué)天文臺(tái)合作成立的。CfA的科學(xué)家們被分成6個(gè)研究小組，研究?jī)?nèi)容包括宇宙的起源、演化、以及最終命運(yùn)。

最新發(fā)現(xiàn)54億光年外“愛(ài)因斯坦環(huán)”揭星系演化之謎

近日一支國(guó)際天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遙遠(yuǎn)的宇宙透鏡—一個(gè)自身引力能夠完全扭曲和偏離更遙遠(yuǎn)的恒星育兒所發(fā)出的光的星系。這個(gè)所謂的引力透鏡是如此遙遠(yuǎn)以至于被扭曲的光需要94億年的時(shí)間才能到達(dá)地球它可以用于測(cè)量遙遠(yuǎn)星系的質(zhì)量，這項(xiàng)研究這樣表明。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)其實(shí)是一次偶然的意外，研究首席作者、德國(guó)馬克斯普朗克天文研究所的天文學(xué)家阿爾揚(yáng)·凡·德·威爾(Arjen van der Wel)這樣說(shuō)道。。

“我觀察到一個(gè)星系非常奇怪，” 凡·德·威爾說(shuō)道?！八雌饋?lái)像一個(gè)非常年輕的星系，但它的距離比我預(yù)想的遙遠(yuǎn)得多。它甚至不該出現(xiàn)在我們的觀察項(xiàng)目里!”這種矛盾性暗示著光被一個(gè)更加遙遠(yuǎn)的天體偏離，而后者與這個(gè)星系精確的對(duì)齊。

引力會(huì)彎曲時(shí)間和空間，這意味著空間里更大質(zhì)量的天體將有更強(qiáng)的引力。這些引力會(huì)彎曲光，扭曲天文學(xué)家利用地球上的望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的宇宙天體。正如阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的，光經(jīng)過(guò)遙遠(yuǎn)星系時(shí)會(huì)被后者的引力所影響。因此引力透鏡可能是非常有用的工具。通過(guò)測(cè)量這些扭曲的光線，天文學(xué)家能夠確定透鏡星系的質(zhì)量，或者導(dǎo)致光線扭曲的天體。

此外，引力還會(huì)自然的放大背景光源，使得天文學(xué)家能夠觀察到本來(lái)觀察不到的遙遠(yuǎn)星系的細(xì)節(jié)。當(dāng)引力透鏡與遙遠(yuǎn)的光源(也即這個(gè)例子里的更年輕、遙遠(yuǎn)的星系)完美的對(duì)齊時(shí)，地球上的觀察者將看到一個(gè)光圈。這就是所謂的“愛(ài)因斯坦環(huán)”，它代表了更遙遠(yuǎn)天體被投射和放大的圖片。

通過(guò)對(duì)比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的其它圖片，并移除透鏡星系周圍恒星的薄霧，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)近乎完美的愛(ài)因斯坦環(huán)，據(jù)凡·德·威爾透露稱。天文學(xué)家能夠測(cè)量扭曲的光線以直接計(jì)算透鏡星系的質(zhì)量。此外，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還發(fā)掘了早期宇宙的新神秘之謎。

這項(xiàng)研究里的更遙遠(yuǎn)、放大的天體也就是所謂的恒星爆發(fā)矮星系。一般來(lái)說(shuō)，這類星系非常年輕，只有1000萬(wàn)至4000萬(wàn)年歷史，且非常高產(chǎn)，能夠產(chǎn)生大量新的恒星。這種類型的引力透鏡—也即較古老的天體彎曲更年輕更遙遠(yuǎn)的恒星爆發(fā)星系的光—被認(rèn)為極其罕見(jiàn)。然而，這是天文學(xué)家利用引力透鏡發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)恒星爆發(fā)矮星系。這些結(jié)果表明，年輕的恒星爆發(fā)矮星系可能在早期宇宙里比之前預(yù)想的要更常見(jiàn)，這使得科學(xué)家不得不重新思考某些廣泛接受的恒星進(jìn)化模型。

“這是一項(xiàng)奇怪但有趣的發(fā)現(xiàn)，” 凡·德·威爾說(shuō)道。“這完全是純屬偶然的發(fā)現(xiàn)，它結(jié)合了我正在研究的兩個(gè)完全不相關(guān)的課題—巨大古老星系以及年輕的恒星爆發(fā)矮星系—它具有開啟描述早期宇宙星系進(jìn)化新篇章的潛力。”這項(xiàng)研究被發(fā)表在10月17日的期刊《天文物理期刊通訊》上。2

新發(fā)型的愛(ài)因斯坦環(huán)

最近，由斯隆數(shù)字巡天觀測(cè)計(jì)劃與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡兩強(qiáng)聯(lián)手，發(fā)現(xiàn)了19個(gè)新的引力透鏡星系，加上原先已知的，目前引力透鏡星系的總數(shù)已經(jīng)達(dá)到了1OO個(gè)。20。5年11月17日，美國(guó)航宇局的有關(guān)網(wǎng)站公布了其中的8個(gè)，是從19個(gè)當(dāng)中精選出來(lái)的。這些引力透鏡現(xiàn)象是最完美的．在已經(jīng)觀測(cè)到的所有引力透鏡現(xiàn)象當(dāng)中稱得上是第旃的。近期公布的這8個(gè)引力透鏡星系都很相似，它們都是大質(zhì)量的橢圓星系。每幅照片中心那個(gè)略微發(fā)紅的白色光斑，就是起到引力透鏡作用的大質(zhì)量橢圓星系。橢圓星系的四周分布著一些細(xì)小的藍(lán)色的弧線，圍繞著白色光斑形成公牛眼睛似的圓環(huán)。這些藍(lán)色的圓環(huán)叉被稱作愛(ài)因斯坦環(huán)，它們是遠(yuǎn)在橢圓星系后面的另外一個(gè)星系的虛像。大質(zhì)量橢圓星系擋住了它們的光芒，使我們看不到它們的真實(shí)面貌。然而，大質(zhì)量橢圓星系的引力透鏡作用，使得遙遠(yuǎn)星系的光線發(fā)生了彎折，形成了這些美麗的藍(lán)色光環(huán)．

1979年以前，引力透鏡和引力透鏡天體等詞匯對(duì)于普通公眾來(lái)說(shuō)還比較陌生，更沒(méi)有人見(jiàn)到過(guò)引力透鏡現(xiàn)象，因?yàn)槟菚r(shí)候關(guān)于引力透鏡和引力透鏡天體等觀點(diǎn)，還只是愛(ài)因斯坦在理論上的推測(cè)。1912年，愛(ài)因斯坦曾經(jīng)預(yù)言，大質(zhì)量天體會(huì)產(chǎn)生像玻璃透鏡樣便光線彎折的效應(yīng)，因此可以把該天體看作是宇宙中一個(gè)龐大的“引力透鏡”。原本筆直經(jīng)過(guò)它們的光線在這里會(huì)轉(zhuǎn)彎，然后在地球上會(huì)聚起來(lái)形成它們的影像。然而，愛(ài)因斯坦提出引力透鏡概念以后的半個(gè)多世紀(jì)中，天文學(xué)家始終沒(méi)有在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)引力透鏡現(xiàn)象。直到60年代，許多人還認(rèn)為引力透鏡現(xiàn)象只不過(guò)是種憑空的想象而已。1979年，事惰終于有了轉(zhuǎn)機(jī)?？茖W(xué)家們觀察到了2穎幾乎是模一樣的并且距離很近的糞星體0597￡_561A和0597+561B，看起來(lái)就像是一對(duì)雙胞胎緊緊靠在起。后來(lái)經(jīng)過(guò)對(duì)它們反復(fù)多次仔細(xì)研究后確認(rèn)，這對(duì)雙胞胎實(shí)際上是同一個(gè)類星體被它前面?zhèn)€較大的星系擋住了，星系的透鏡效應(yīng)使類星體0597-561經(jīng)過(guò)它的時(shí)候光線發(fā)生了偏折，在觀察者的眼睛里形成了兩個(gè)一模一樣的類星體影像。1988年，麻省理工學(xué)院的一位女科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第個(gè)愛(ài)因斯坦環(huán)。1990年，被證實(shí)為引力透鏡星系的共有6例，2005年已達(dá)100例3。