爱因斯坦环

相对论预言了引力波的存在，发现了引力场与引力波都是以光速传播的，否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出，遇到大质量天体，光线会重新汇聚，也就是说，我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下，看到的是个环，被称为爱因斯坦环。 爱因斯坦环可以用来证明暗物质的存在，目前科学家正努力找到暗物质。

有时，引力透镜效应也会使星体的影像分开成几个，比如著名的“爱因斯坦十字”。 ^[1]

“哈勃”望远镜在2004年8月到2005年3月的巡天观测中发现了8个爱因斯坦环。其中最完整最清晰的是J162746.44-0053，位于蛇夫座，前置天体距离26亿光年，远方天体距离55亿光年；最遥远的是J163028+4520，位于武仙座，前置天体30亿光年，远方天体距离72亿光年。

后来，哈勃拍摄的更为遥远的一个爱因斯坦环，被称为“宇宙之眼”，公布于2007年10月。前置天体是星系团J2135-0102，位于宝瓶座，距离38亿光年，远方天体距离121亿光年。

2008年1月，“哈勃”网站还公布了一张珍贵的“双爱因斯坦环”SDSSJ0946+1006照片。双环的形成是因为在一个前置天体后面有两个距离不等的遥远星系，恰好排列在一条方向上，SDSSJ0946+1006位于狮子座，前置天体距离约30亿光年，产生内环幻像的星系距离约60亿光年，产生的外环幻像的星系距离约110亿光年。

爱因斯坦环——太空中的爱情信物

那个蓝色巨大的东西是什么，而且能围绕在整个星系的周围？这是一个引力透镜幻象。上面影像的左侧是一个正常白色星系的重力将更遥远的蓝色星系发出的光引力扭曲后得到的结果。更普遍的情况是，光线的扭曲会让遥远星系形成两张独立的影像，但是在这里透镜排列很精确，以至于背景星系被扭曲后，形成了近似于一个圆环。因为透镜效应是70年前由艾波特.爱因斯坦预言提出，所以SDSSJ1430这样的光环现在被称为爱因斯坦环。SDSSJ1430是在斯隆透镜高级摄像仪观测计划活动期间发现，这是基于斯隆数字巡天和哈伯太空望远镜的ACS相机来寻找透镜候选体的计划。类似SDSSJ1430的强引力透镜有很多古怪的事情，它们的多个特性能让天文学家测定前景星系透镜中物质和暗物质的含量。SLACS的数据现在已经被使用，例如，数据显示随着整个星系质量越大，暗物质比例也就越高。而上面影像右侧的插入图片，从上到下依次是，背景蓝色星系真实看上去的样子，再经过计算机重新处理后的影像、白色的前景星系、以及引力透镜下的蓝色背景星系。

我们在太空中也能看到这样的戒指，它是太空中的爱情信物——爱因斯坦环，它象征着宇宙对我们人类的博大关爱。看，该图就是由美国哈勃太空望远镜拍摄的爱因斯坦环影像，薄薄的蓝色戒指状图案，这是引力透镜最完美的表现，中心黄红色的光斑就是大约20到40亿光年以外的巨型椭圆星系。

爱因斯坦环与引力透镜

“爱因斯坦环是宇宙中广义相对论最生动的示范之一，”哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的亚当·博尔顿说。“这为研究宇宙中质量最大的星系提供了一个独一无二的机会。” 这种光学幻影是由一种被称为引力透镜的弯曲空间所创造的。它本质上就相当于太空中的一块巨大的放大镜，弯曲和放大了更遥远天体所发出的光线。在引力透镜中，一个遥远的星系发出的光线可以被一个位于视线中间的星系扭曲成一道光弧或者几个分离的影像。当两个星系完全连成一线的时候，这些光线就会形成一个如眼的图案，包围着前景星系，这就是所谓的爱因斯坦环。

天文学家们现在已经将两组强大的天文数据——斯隆数字巡天和NASA的哈勃太空望远镜结合了起来，辨认出了19个新的引力透镜星系，大大地充实了由此前已知的大约100个引力透镜星系所组成的数据库。通过研究这些透镜候选体所产生的光弧和光环，天文学家们能够精确测量这些前景星系的质量。在这19个星系之中，他们已经找到了8个新的爱因斯坦环。此前只有3个类似的环在可见光波段中被看到过。

这些新发现的透镜是由一个正在进行中的计划——斯隆透镜ACS搜索计划（SLACS）所发现的。一个由CfA的亚当·博尔顿和荷兰卡普坦天文研究所的利昂--库普曼斯领导的天文学家小组从斯隆数字巡天的几十万个椭圆星系可见光光谱中挑选出透镜候选体。然后他们再利用哈勃高新巡天相机（ACS）的锐利目光来进行验证。

“斯隆数字巡天的巨大规模，再加上哈勃的成像质量，已经为发现新的引力透镜打开了这个空前的机会，”博尔顿解释说。“我们已经成功地从每一千个显示出引力透镜迹象的星系之中辨认出了一个引力透镜事件。”

除了产生了古怪的形状之外，引力透镜还为天文学家们提供了最直接的探测椭圆星系中暗物质分布的方式。暗物质是一种不可见的奇异物质形态，还没有被直接观测到过。天文学家们是通过测量它的引力效应而推断出它的存在的。暗物质普遍分布在星系之中，组成了宇宙中的总物质质量的绝大部分。通过研究星系中的暗物质，天文学家希望能够获得关于星系形成的更多认识，它们一定是在早期宇宙中的暗物质密集团块周围开始形成的。

“能够研究这些和其他一些回溯到几十亿年以前的引力透镜，这使得我们可以直接看到暗物质和可见物质的分布是否会随着宇宙的时间而发生改变，”库普曼斯说。“利用这些信息，我们能够检验这种被普遍认同的观点，即星系是由较小的星系相互碰撞和并合而形成的。”

博尔顿在麻省理工学院（MIT）发起的SLACS搜索仍在继续，目前研究小组已经利用哈勃研究了将近50个引力透镜候选体。最后的总数可能会超过100个，其中包括着更多的新引力透镜。总部设在麻省剑桥市的哈佛-史密森天体物理中心（CfA）是由史密森天体物理观测台和哈佛大学天文台合作成立的。CfA的科学家们被分成6个研究小组，研究内容包括宇宙的起源、演化、以及最终命运。

近日一支国际天文学家小组发现了迄今为止最遥远的宇宙透镜—一个自身引力能够完全扭曲和偏离更遥远的恒星育儿所发出的光的星系。这个所谓的引力透镜是如此遥远以至于被扭曲的光需要94亿年的时间才能到达地球它可以用于测量遥远星系的质量，这项研究这样表明。

这项发现其实是一次偶然的意外，研究首席作者、德国马克斯普朗克天文研究所的天文学家阿尔扬·凡·德·威尔(Arjen van der Wel)这样说道。。

“我观察到一个星系非常奇怪，” 凡·德·威尔说道。“它看起来像一个非常年轻的星系，但它的距离比我预想的遥远得多。它甚至不该出现在我们的观察项目里!”这种矛盾性暗示着光被一个更加遥远的天体偏离，而后者与这个星系精确的对齐。

引力会弯曲时间和空间，这意味着空间里更大质量的天体将有更强的引力。这些引力会弯曲光，扭曲天文学家利用地球上的望远镜所观测到的宇宙天体。正如阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)广义相对论所预测的，光经过遥远星系时会被后者的引力所影响。因此引力透镜可能是非常有用的工具。通过测量这些扭曲的光线，天文学家能够确定透镜星系的质量，或者导致光线扭曲的天体。

此外，引力还会自然的放大背景光源，使得天文学家能够观察到本来观察不到的遥远星系的细节。当引力透镜与遥远的光源(也即这个例子里的更年轻、遥远的星系)完美的对齐时，地球上的观察者将看到一个光圈。这就是所谓的“爱因斯坦环”，它代表了更遥远天体被投射和放大的图片。

通过对比哈勃太空望远镜拍摄的其它图片，并移除透镜星系周围恒星的薄雾，研究人员发现了一个近乎完美的爱因斯坦环，据凡·德·威尔透露称。天文学家能够测量扭曲的光线以直接计算透镜星系的质量。此外，这项发现还发掘了早期宇宙的新神秘之谜。

这项研究里的更遥远、放大的天体也就是所谓的恒星爆发矮星系。一般来说，这类星系非常年轻，只有1000万至4000万年历史，且非常高产，能够产生大量新的恒星。这种类型的引力透镜—也即较古老的天体弯曲更年轻更遥远的恒星爆发星系的光—被认为极其罕见。然而，这是天文学家利用引力透镜发现的第二个恒星爆发矮星系。这些结果表明，年轻的恒星爆发矮星系可能在早期宇宙里比之前预想的要更常见，这使得科学家不得不重新思考某些广泛接受的恒星进化模型。

“这是一项奇怪但有趣的发现，” 凡·德·威尔说道。“这完全是纯属偶然的发现，它结合了我正在研究的两个完全不相关的课题—巨大古老星系以及年轻的恒星爆发矮星系—它具有开启描述早期宇宙星系进化新篇章的潜力。”这项研究被发表在10月17日的期刊《天文物理期刊通讯》上。 ^[2]

最近，由斯隆数字巡天观测计划与哈勃空间望远镜两强联手，发现了19个新的引力透镜星系，加上原先已知的，目前引力透镜星系的总数已经达到了100个。20。5年11月17日，美国航宇局的有关网站公布了其中的8个，是从19个当中精选出来的。这些引力透镜现象是最完美的．在已经观测到的所有引力透镜现象当中称得上是第旃的。近期公布的这8个引力透镜星系都很相似，它们都是大质量的椭圆星系。每幅照片中心那个略微发红的白色光斑，就是起到引力透镜作用的大质量椭圆星系。椭圆星系的四周分布着一些细小的蓝色的弧线，围绕着白色光斑形成公牛眼睛似的圆环。这些蓝色的圆环叉被称作爱因斯坦环，它们是远在椭圆星系后面的另外一个星系的虚像。大质量椭圆星系挡住了它们的光芒，使我们看不到它们的真实面貌。然而，大质量椭圆星系的引力透镜作用，使得遥远星系的光线发生了弯折，形成了这些美丽的蓝色光环．

1979年以前，引力透镜和引力透镜天体等词汇对于普通公众来说还比较陌生，更没有人见到过引力透镜现象，因为那时候关于引力透镜和引力透镜天体等观点，还只是爱因斯坦在理论上的推测。1912年，爱因斯坦曾经预言，大质量天体会产生像玻璃透镜样便光线弯折的效应，因此可以把该天体看作是宇宙中一个庞大的“引力透镜”。原本笔直经过它们的光线在这里会转弯，然后在地球上会聚起来形成它们的影像。然而，爱因斯坦提出引力透镜概念以后的半个多世纪中，天文学家始终没有在实际观测中发现引力透镜现象。直到60年代，许多人还认为引力透镜现象只不过是种凭空的想象而已。1979年，事惰终于有了转机。科学家们观察到了2颖几乎是模一样的并且距离很近的粪星体0597￡_561A和0597+561B，看起来就像是一对双胞胎紧紧靠在起。后来经过对它们反复多次仔细研究后确认，这对双胞胎实际上是同一个类星体被它前面个较大的星系挡住了，星系的透镜效应使类星体0597-561经过它的时候光线发生了偏折，在观察者的眼睛里形成了两个一模一样的类星体影像。1988年，麻省理工学院的一位女科学家发现了第个爱因斯坦环。1990年，被证实为引力透镜星系的共有6例，2005年已达100例 ^[3] 。