38億光年外發現罕見的「五重奏」,空間強烈扭曲,愛因斯坦又對了

薛定諤的貓 2021/08/11 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

自哈勃太空望遠鏡重新上線之後,哈勃天文學家團隊又公佈了一張新的哈勃巨作,這是極為罕見的「五重奏」引力透鏡效應。基於此,天文學家不但再次證明愛因斯坦的正確,而且也計算出了宇宙的膨脹速率。

廣義相對論是愛因斯坦的最偉大成就,這是迄今為止最強大的引力理論,牛頓的萬有引力定律只是它的一種近似情況。愛因斯坦用時空彎曲來描述引力,他認為質量體會扭曲空間,當物體或者光經過該彎曲空間時,行進路徑就會發生偏轉,出現引力效應。

愛因斯坦預言,太陽系外的恒星發出的光,經過太陽邊緣的彎曲空間時,將會發生1.74角秒的偏折。當然,牛頓引力理論也預言了光線偏轉,如果把光子視為有質量的粒子,星光經過太陽邊緣時將會出現0.87角秒的偏折,這個數值為愛因斯坦預言的一半。

過去百年來,天文學家不斷利用日全食的機會,來測量星光偏轉角度。隨著測量精度越來越高,觀測值越來越接近愛因斯坦的預言值,1991年測出的精度可以達到萬分之一,這意味著廣義相對論很好地描述了引力現象。

只有在弱引力場的情況下,牛頓引力理論才能較好地描述,到了強引力場就會失效,這時就只能完全依賴于廣義相對論。近年來,天文學家直接探測到的強引力現象和天體,比如引力波、黑洞,都完美地驗證了廣義相對論。

除此之外,引力透鏡也是廣義相對論的一大重要預言,此次發現就是一個例子。圖中間兩個明亮的點為兩個星系,它們距離地球大約38億光年。在這兩個亮點周圍有四個小亮點,以及圖的正中心還有一個暗淡的小光點,它們都是來自于171億光年外的一個類星體2M1310-1714。

所謂的類星體其實是一種活躍的超大質量黑洞,它們潛伏在星系的中心,大量吞噬周圍的氣體雲,並能發射出強大的電磁輻射,它們是宇宙中最為明亮的天體。早期星系中存在著豐富的氣體雲,所以類星體普遍都在極為遙遠的宇宙中,距離可達幾十上百億光年。雖然類星體離我們非常遠,但足夠明亮,我們仍然能夠觀測到,它們看起來就像遙遠的恒星。

在這個引力透鏡效應中,兩個前景星系的質量很大,它們強大的引力扭曲了附近的空間。而在這兩個星系後方的遙遠宇宙中恰好有一個類星體,它發出的光經過前景星系附近的彎曲空間時,就像穿過透鏡一樣被強烈扭曲,形成罕見的五重影像。

看到這裡,大家可能會有一個困惑,就是宇宙的年齡只有138億年,光最遠只能傳播138億光年才對,但為什麼這個類星體的距離達到了171億光年呢?

其原因在於整個宇宙都在膨脹,而空間自身結構的膨脹是不受光速限制的。要知道,可觀測宇宙的半徑可達465億光年,所以這個類星體在可觀測宇宙中。171億光年是這個類星體現在與地球的距離,在遙遠的過去距離並沒有這麼遠。

我們所看到的類星體景象其實是104億年前的樣子,因為它發出的光需104億年的時間才能來到地球上。而在這些光子傳向地球的過程中,由於空間膨脹,這個類星體不斷遠離我們,現在已經退行到171億光年之外。

最後,根據這個引力透鏡效應,天文學家還能測出宇宙的膨脹速率,也就是哈勃常數(H0),估計為74 km/s/Mpc。這個參數的含義是星系之間距離每增加326萬光年(1百萬秒差距),由於空間膨脹,將會導致它們互相遠離的速率將會隨之增加74公里/秒。

由此可知,這個位於171億光年外的類星體,目前正以38.8萬公里/秒的速度,也就是1.3倍光速,在遠離我們的銀河系。因此,這個類星體現在發出的光永遠也追不上我們,永遠也走不完它與銀河系之間的浩瀚空間。

 

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