韋伯望遠鏡拍得完美的愛因斯坦環(huán)

2023-08-04 17:05:23 來源：森羅萬象原創(chuàng)

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最近美國國家航天局的韋伯望遠鏡在太空中拍到奇怪的照片，只見天體周圍環(huán)繞一圈光環(huán)，形狀呈現(xiàn)出近乎完美的圓形。 而中間的天體泛著淡藍色的美麗微光，整體看起來非常像是一顆眼睛，這就是愛因斯坦環(huán)。

【資料圖】

愛因斯坦環(huán)是什么？它是如何形成的？發(fā)現(xiàn)它又有何意義？讓我們從頭說起。

韋伯望遠鏡是美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作研制的大型太空望遠鏡，它是迄今為止發(fā)射的最大、最復雜和最具有野心的天文觀測設(shè)備之一。韋伯望遠鏡的主要特點是其巨大的主鏡和高靈敏度的探測器，它的主鏡直徑為米，由18塊六邊形的鏡片組成，每個鏡片都有米的直徑，鏡片之間的接縫可以調(diào)整，以便在不同波長的光線下獲得更高的分辨率。事實也證明了這一點，韋伯傳回的圖片質(zhì)量遠高于哈勃。

此外，韋伯望遠鏡可以觀測的波長范圍為微米到28微米，其中包括可見光和近紅外線波段（微米到微米）以及遠紅外線波段（微米到28微米）。 韋伯望遠鏡的主要觀測波段是紅外線波段，因為紅外線能夠透過塵埃云層，觀測到更遙遠、更冷和更暗的天體。 紅外線波段的觀測還可以揭示宇宙中的一些關(guān)鍵過程，例如星系的形成和演化、行星的形成和分布、恒星的生命周期、黑洞的性質(zhì)等。而正是因此， 韋伯能夠拍到距離地球120億光年外最完美的愛因斯坦環(huán)。

韋伯發(fā)現(xiàn)的 愛因斯坦環(huán)位于名為SPT-S 的星系，我們簡稱數(shù)字星系。 圓環(huán)中心的光點實際上是數(shù)字星系的光，而周圍環(huán)狀光線則來自于被數(shù)字星系擋住的光線。

事實上，這并不是人類第一次發(fā)現(xiàn)愛因斯坦環(huán)。 早在1979年，天文觀測團隊就在著名的雙重引力透鏡天體Q0957+561中首次發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦環(huán)。 他們觀測到了兩個非常亮的成像點，分別對應于源天體的兩個圖像，以及一個非常明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，對應于愛因斯坦環(huán)。到1990年，人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 6例愛因斯坦環(huán)，到現(xiàn)在，這個數(shù)據(jù)已經(jīng)突破了100。那么愛因斯坦環(huán)到底是什么呢？

要說清楚愛因斯坦環(huán)是什么，那就必須提到引力透鏡效應。根據(jù)廣義相對論的預言，時空在大質(zhì)量天體周圍會被彎曲，因此當光線穿過大質(zhì)量天體時，光線的傳播路徑會發(fā)生偏折，而且不同波長的光線受到的偏折角度也不同，觀測者可能看到一個或多個像，這就是引力透鏡效應。其中大質(zhì)量天體扮演的角色就是引力透鏡。

當光源、大質(zhì)量天體和觀測者處于一條直線上時，光線傳輸路徑會形成一個環(huán)形，在觀測者的位置上就會出現(xiàn)一個環(huán)形的影像，這就是愛因斯坦環(huán)的形成。愛因斯坦環(huán)的形狀和大小取決于大質(zhì)量天體的質(zhì)量和位置，以及光源和觀測者的位置，因此觀測到的愛因斯坦環(huán)也是非常罕見和難以捕捉的。愛因斯坦環(huán)不僅本身在宇宙中很難觀測到，而更重要的是它背后的重要意義。

愛因斯坦環(huán)對天文學的意義在于，它為人類提供了一種新的觀測和驗證宇宙引力理論的方法。通過觀測愛因斯坦環(huán)，人們可以驗證和完善廣義相對論，也可以推斷引起引力透鏡效應的天體的質(zhì)量、位置和分布等關(guān)鍵參數(shù)，從而更深入地了解宇宙的形成、演化和結(jié)構(gòu)。這其中最重要的一點是：它 可以證明時空可以彎曲、暗物質(zhì)和暗能量的確存在。

產(chǎn)生愛因斯坦環(huán)，或者說產(chǎn)生引力透鏡效應的前提，就是必須存在一個大質(zhì)量天體。這個大質(zhì)量天體可以是擁有巨型黑洞的星系、也可能是非重子暗物質(zhì)等。事實上，早在2006年，哈勃就通過觀測發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

2006年8月21日，哈勃和錢德拉空間望遠鏡公布了星系團1E0657-56的綜合圖像，也被稱作“子彈星系團”或“史上最強引力透鏡”。 該星系團位于船底座，距離地球約億光年，由兩個大的星系團碰撞后合并形成。該圖像清晰地顯示了由碰撞形成的紅色高溫氣體（普通物質(zhì)），以及分離得更遠一些的暗物質(zhì)（藍色區(qū)域）。這個現(xiàn)象是因為普通物質(zhì)（重子物質(zhì)）存在有相互作用力，這會起到一定的阻滯作用。而暗物質(zhì)（非重子物質(zhì)）則沒有，因此它們散得更開。這也是 人類首次發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，而這很可能將人類文明推向一個新的高度。

暗物質(zhì)是一種在宇宙中廣泛存在但難以直接探測的物質(zhì)。 根據(jù)宇宙學觀測和理論推測，暗物質(zhì)不受電磁相互作用，因此無法通過電磁波輻射來探測。

暗物質(zhì)在宇宙中占據(jù)著極為重要的地位。 在宇宙學中，暗物質(zhì)是解釋宇宙學觀測結(jié)果的必要條件之一。 它的存在可以解釋宇宙學中的許多問題，如星系旋轉(zhuǎn)曲線、宇宙微波背景輻射、星系團的形成和演化等。此外，暗物質(zhì)還可能作為宇宙初期結(jié)構(gòu)形成的種子，促進了宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化。

據(jù)天文物理學家推測， 我們已經(jīng)了解清楚的亮物質(zhì)還不足宇宙的5%，而暗物質(zhì)卻占了宇宙的%，而另外的%則屬于更神秘的暗能量。

暗能量被認為是推動宇宙加速膨脹的原因之一。1998年，科學家們通過觀測超新星爆炸的光譜，發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度正在加速，這一發(fā)現(xiàn)被認為是宇宙學中的重大突破之一。 根據(jù)宇宙學模型，暗能量是推動宇宙加速膨脹的重要因素，其作用類似于引力，但是相反的方向。 它的存在可以解釋宇宙學中的一些問題，如宇宙學常數(shù)問題和宇宙學奇點問題等。

暗物質(zhì)和暗能量加起來超過了宇宙總體的95%，如果我們能將這95%了解透徹并加以利用，那么星際航行，甚至時空旅行都將成為可能，人類認識宇宙的能力將達到前所未有的高度。

事實上，我國已經(jīng)開始了相關(guān)方面的研究。 2010年，我國首個極深地下實驗室——四川錦屏地下實驗室投入使用。目前清華大學和上海交大等暗物質(zhì)研究團隊已經(jīng)進駐，開始了對暗物質(zhì)的研究。此外世界各國也都不落后，美國、英國、法國、日本等國家也相繼建立了地下實驗室，大家都在爭取早日發(fā)現(xiàn)并掌握暗物質(zhì)。

相關(guān)物理學家表示，暗物質(zhì)和暗能量就像以前的電一樣。在人類剛剛掌握電時，根本無法想象后來出現(xiàn)的電腦、電視。一旦掌握暗物質(zhì)和暗能量，可能整個世界的格局都將改變。

愛因斯坦環(huán)作為一種重要的天文現(xiàn)象，不僅能夠幫助我們更好地理解引力和相對論的基本原理，而且可以幫助我們研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。通過對愛因斯坦環(huán)的觀測和研究，科學家們發(fā)現(xiàn)了許多有趣和重要的現(xiàn)象，并且提出了一些新的理論和模型，如暗物質(zhì)、暗能量等，這些都對宇宙學研究具有重要的意義。

未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和觀測手段的不斷完善，我們可能逐漸了解和掌握暗物質(zhì)和暗能量，那時我們回頭再看愛因斯坦環(huán)，就會像有了飛機再看鳥兒的飛行一樣。

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