首次發(fā)現(xiàn)的“愛因斯坦曲折線”。一個(gè)遙遠(yuǎn)的類星體由于被引力透鏡作用了兩次而出現(xiàn)了6個(gè)像，而光線在制造這6個(gè)幻像的過程中走了一條極其曲折的路線。Dux / JWST

在韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的幫助下，天文學(xué)家首次觀測到了一種以前只存在于理論上的現(xiàn)象——“愛因斯坦曲折線（Einstein zig-zag）”。來自遙遠(yuǎn)天體的光在到達(dá)望遠(yuǎn)鏡傳感器的過程中，穿越了兩處被扭曲的時(shí)空，同一個(gè)類星體的像出現(xiàn)了6次，而光線在制造這6個(gè)幻像的過程中走了一條極其曲折的路線。科學(xué)家希望通過研究這個(gè)奇特的現(xiàn)象，解開一個(gè)近年來一直困擾著人們的謎。

這6個(gè)像并不是一次性被發(fā)現(xiàn)的。2018年，天文學(xué)家在距離地球數(shù)十億光年的宇宙中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)相同的明亮光點(diǎn)。這組后來被編號為J1721+8842的光點(diǎn)是同一個(gè)類星體的4個(gè)鏡像，是引力透鏡的產(chǎn)物。

引力透鏡是由于遙遠(yuǎn)天體的光在傳遞到地球附近的過程中，恰巧由于穿越了被大質(zhì)量天體扭曲的時(shí)空而發(fā)生彎曲所導(dǎo)致的。引力透鏡效應(yīng)不但能夠復(fù)制原始光源，圍繞著充當(dāng)透鏡的天體在觀察者眼中形成多個(gè)虛像，還能夠?qū)е略加跋衽で冃巍Ｔ跅l件恰到好處的情況下，引力透鏡效應(yīng)甚至?xí)@著充當(dāng)透鏡的前景天體制造出一個(gè)奇特的光環(huán)。這個(gè)光環(huán)就是愛因斯坦1915年根據(jù)廣義相對論預(yù)言的“愛因斯坦環(huán)”。

韋伯望遠(yuǎn)鏡2023年拍到的一個(gè)“愛因斯坦環(huán)”。這個(gè)環(huán)距離地球約210億光年，是迄今發(fā)現(xiàn)距地球最遠(yuǎn)的引力透鏡現(xiàn)象。JWST

2018年科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這4個(gè)光點(diǎn)，而到了2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)J1721+8842旁邊還有兩個(gè)新的光點(diǎn)，甚至還有一個(gè)昏暗的光環(huán)。因?yàn)樾掳l(fā)現(xiàn)的2個(gè)光點(diǎn)比起初4個(gè)要暗，所以研究人員一開始還以為那里有2個(gè)類星體，形成了一對雙類星體，并且這對雙類星體的影像被引力透鏡效應(yīng)復(fù)制成了3份。

但是最新的研究結(jié)果表明，所有6個(gè)光點(diǎn)實(shí)際上都屬于同一個(gè)類星體。后發(fā)現(xiàn)的亮點(diǎn)是被距離第一個(gè)大質(zhì)量天體很遠(yuǎn)的另一個(gè)大質(zhì)量天體，及其產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)二次復(fù)制出來的。這也是新照片中有一個(gè)昏暗愛因斯坦環(huán)的原因。

在對所有亮點(diǎn)的光曲線進(jìn)行了為時(shí)2年的觀測之后，研究人員發(fā)現(xiàn)最昏暗的兩個(gè)光點(diǎn)影像在呈現(xiàn)時(shí)間上要稍晚于其他光點(diǎn)，表明形成這兩個(gè)光點(diǎn)的光在宇宙中穿越了更長的距離。這可能是因?yàn)樾纬蛇@兩個(gè)影像的光在從第一個(gè)透鏡天體走向第二個(gè)透鏡天體時(shí)，走到了相反的方向。也就是說，從第一個(gè)透鏡天體左側(cè)穿越的光，在經(jīng)過第二個(gè)透鏡天體身旁時(shí)，出現(xiàn)在了它的右側(cè)。

研究人員稱這一奇特的現(xiàn)象為“愛因斯坦曲折線”，是因?yàn)檫@些被引力透鏡效應(yīng)作用了兩次的光在太空中行進(jìn)的路線呈往復(fù)曲折的鋸齒狀。

引力透鏡天體是天文學(xué)家的無價(jià)之寶，因?yàn)楸尘疤祗w光線的彎曲程度，能夠反映充當(dāng)透鏡天體的質(zhì)量，而相關(guān)數(shù)據(jù)，可以幫助人們對暗物質(zhì)和暗能量進(jìn)行研究。

近年來人們吃驚地發(fā)現(xiàn)，宇宙不同部分的膨脹速度不一樣。這一發(fā)現(xiàn)甚至威脅到了宇宙學(xué)的根基。研究人員認(rèn)為這次發(fā)現(xiàn)的“愛因斯坦曲折線”，或許能夠平息這場危機(jī)。因?yàn)槠洫?dú)特的布局，能夠讓天文學(xué)家同時(shí)對哈勃常數(shù)和暗能量進(jìn)行精確的測量，能夠告訴我們宇宙的膨脹速度是否真的符合宇宙學(xué)模型的預(yù)言。但距離答案揭曉可能還需要一年以上的時(shí)間。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系團(tuán)PLCK G165.7+67.0。畫面中充滿了大量被引力透鏡效應(yīng)扭曲了的遙遠(yuǎn)星系、類星體和超新星。JWST

參考
First known double gravitational lens could shed light on universe’s expansion
https://www.science.org/content/article/first-known-double-gravitational-lens-could-shed-light-universe-s-expansion
J1721+8842: The first Einstein zig-zag lens
https://arxiv.org/abs/2411.04177