天文學家接收到103億光年外的宇宙信號,愛因斯坦的預言再次應驗

薛定諤的貓 2021/07/28 檢舉 我要評論
 

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文/天空之城團隊

 

今年6月,在太空中為人類觀測宇宙長達31年的哈勃太空望遠鏡發生嚴重故障,有效載荷電腦宕機。經過地面控制中心科學家的一個多月努力,哈勃終於被修好,繼續觀測深邃的宇宙。

就在哈勃修好之後不久,哈勃團隊公佈了一張此前拍攝到的震撼宇宙照片:

從上圖中可以看到,圖像出現了扭曲,中間有部分形成了圓弧,這就是引力透鏡效應。圖中偏紅色的圓弧其實是103億光年外的星系,這種現象在宇宙中很罕見。愛因斯坦早在百年前就已經預言了這種現象,如今被越來越多的觀測事實所證明。

一說到引力,我們首先想到的是牛頓的萬有引力定律。牛頓認為,天上星辰的運動、蘋果落地,都是受到引力的作用。萬有引力定律展示出了強大的威力,精確算出何時發生日食和月食、讓火箭飛上太空、甚至預言海王星的存在。

然而,在預言水星軌道時,牛頓引力定律卻出現了問題。水星是太陽系中距離太陽最近的行星,它在繞太陽公轉時,每繞行一圈,近日點都會發生偏移,前後兩個公轉軌道不會重合,這被稱為近日點進動現象。

根據觀測記錄,水星軌道近日點的每世紀進動數值與牛頓引力的預言相差了38角秒。38角秒是個很小的數值,1度為3600角秒,所以這相當於只有0.011度。這還是每100年的相差數值,折合到每年相差更小。

由此可見,牛頓的引力理論其實還是非常好用的。然而,天文學家對此並不滿足,因為牛頓理論的預言不是完美的,這意味著萬有引力定律有缺陷,一定存在更加強大的未知引力理論。

1915年,愛因斯坦開創性地提出了廣義相對論,他用時空彎曲來描述引力效應。根據廣義相對論,有質量的物體能夠彎曲周圍的空間,迫使經過彎曲空間的其他物體或者光子沿著測地線運動,從而產生引力效應。

廣義相對論提出後,愛因斯坦很快將其用於計算水星軌道近日點的進動,結果發現理論預言與實際觀測結果完全吻合。這是該引力理論的首次驗證,也讓愛因斯坦感到非常滿意。

1916年,愛因斯坦又計算出了遙遠恒星發出的光經過太陽附近的彎曲空間時,星光將會發生偏轉的角度。3年後,英國天體物理學家愛丁頓通過日全食觀測實驗證實了愛因斯坦的預言,這讓愛因斯坦的名聲傳向了全世界。

宇宙中的星系幾乎都包含成百上千億顆恒星,成百上千個星系又會組成龐大的星系團,其引力效應十分強大,能夠強烈彎曲周圍的空間,讓遙遠星系發出的光經過該空間時,出現明顯的扭曲,甚至出現多重影像,從而出現引力透鏡效應。

根據刊載於《arXiv》上的一項新研究[1],此次發現的引力透鏡效應由前景星系團MCS J0138.0-2155的強大引力所產生。這個星系團位於38億光年之外,它強大的引力強烈彎曲了附近的空間。

在這個星系團後方極為遙遠的宇宙中,剛好有一個星系MRG-M0138,它距離地球達到了103億光年,其光信號需要經過長達103億年的時間才能來到地球上。這個遙遠星系發出的光經過星系團附近的彎曲空間時,被強烈扭曲。正常而言,就連哈勃都極難分辨出上百億光年外的星系,但得益於引力透鏡效應,我們在地球上能夠觀測到如此奇妙的宇宙景象。

此外,在某些更為特殊的情況下,引力透鏡還會產生更加罕見的愛因斯坦環:

還有愛因斯坦十字,強大的引力透鏡能讓遙遠的類星體產生四重影像:

 

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