韦伯望远镜拍得完美的爱因斯坦环

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最近美国国家航天局的韦伯望远镜在太空中拍到奇怪的照片，只见天体周围环绕一圈光环，形状呈现出近乎完美的圆形。 而中间的天体泛着淡蓝色的美丽微光，整体看起来非常像是一颗眼睛，这就是爱因斯坦环。

爱因斯坦环是什么？它是如何形成的？发现它又有何意义？让我们从头说起。

【资料图】

韦伯望远镜是美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作研制的大型太空望远镜，它是迄今为止发射的最大、最复杂和最具有野心的天文观测设备之一。 韦伯望远镜的主要特点是其巨大的主镜和高灵敏度的探测器，它的主镜直径为米，由18块六边形的镜片组成，每个镜片都有米的直径，镜片之间的接缝可以调整，以便在不同波长的光线下获得更高的分辨率。事实也证明了这一点，韦伯传回的图片质量远高于哈勃。

此外，韦伯望远镜可以观测的波长范围为微米到28微米，其中包括可见光和近红外线波段（微米到微米）以及远红外线波段（微米到28微米）。 韦伯望远镜的主要观测波段是红外线波段，因为红外线能够透过尘埃云层，观测到更遥远、更冷和更暗的天体。 红外线波段的观测还可以揭示宇宙中的一些关键过程，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、黑洞的性质等。而正是因此， 韦伯能够拍到距离地球120亿光年外最完美的爱因斯坦环。

韦伯发现的 爱因斯坦环位于名为SPT-S 的星系，我们简称数字星系。 圆环中心的光点实际上是数字星系的光，而周围环状光线则来自于被数字星系挡住的光线。

事实上，这并不是人类第一次发现爱因斯坦环。 早在1979年，天文观测团队就在著名的双重引力透镜天体Q0957+561中首次发现了爱因斯坦环。 他们观测到了两个非常亮的成像点，分别对应于源天体的两个图像，以及一个非常明显的环状结构，对应于爱因斯坦环。到1990年，人类就已经发现了 6例爱因斯坦环，到现在，这个数据已经突破了100。那么爱因斯坦环到底是什么呢？

要说清楚爱因斯坦环是什么，那就必须提到引力透镜效应。 根据广义相对论的预言，时空在大质量天体周围会被弯曲，因此当光线穿过大质量天体时，光线的传播路径会发生偏折，而且不同波长的光线受到的偏折角度也不同，观测者可能看到一个或多个像，这就是引力透镜效应。 其中大质量天体扮演的角色就是引力透镜。

当光源、大质量天体和观测者处于一条直线上时，光线传输路径会形成一个环形，在观测者的位置上就会出现一个环形的影像，这就是爱因斯坦环的形成。 爱因斯坦环的形状和大小取决于大质量天体的质量和位置，以及光源和观测者的位置，因此观测到的爱因斯坦环也是非常罕见和难以捕捉的。爱因斯坦环不仅本身在宇宙中很难观测到，而更重要的是它背后的重要意义。

爱因斯坦环对天文学的意义在于，它为人类提供了一种新的观测和验证宇宙引力理论的方法。 通过观测爱因斯坦环，人们可以验证和完善广义相对论，也可以推断引起引力透镜效应的天体的质量、位置和分布等关键参数，从而更深入地了解宇宙的形成、演化和结构。 这其中最重要的一点是：它 可以证明时空可以弯曲、暗物质和暗能量的确存在。

产生爱因斯坦环，或者说产生引力透镜效应的前提，就是必须存在一个大质量天体。这个大质量天体可以是拥有巨型黑洞的星系、也可能是非重子暗物质等。事实上，早在2006年，哈勃就通过观测发现了暗物质存在的直接证据。

2006年8月21日，哈勃和钱德拉空间望远镜公布了星系团1E0657-56的综合图像，也被称作“子弹星系团”或“史上最强引力透镜”。 该星系团位于船底座，距离地球约亿光年，由两个大的星系团碰撞后合并形成。该图像清晰地显示了由碰撞形成的红色高温气体（普通物质），以及分离得更远一些的暗物质（蓝色区域）。这个现象是因为普通物质（重子物质）存在有相互作用力，这会起到一定的阻滞作用。而暗物质（非重子物质）则没有，因此它们散得更开。这也是 人类首次发现暗物质存在的直接证据，而这很可能将人类文明推向一个新的高度。

暗物质是一种在宇宙中广泛存在但难以直接探测的物质。 根据宇宙学观测和理论推测，暗物质不受电磁相互作用，因此无法通过电磁波辐射来探测。

暗物质在宇宙中占据着极为重要的地位。 在宇宙学中，暗物质是解释宇宙学观测结果的必要条件之一。 它的存在可以解释宇宙学中的许多问题，如星系旋转曲线、宇宙微波背景辐射、星系团的形成和演化等。此外，暗物质还可能作为宇宙初期结构形成的种子，促进了宇宙结构的形成和演化。

据天文物理学家推测， 我们已经了解清楚的亮物质还不足宇宙的5%，而暗物质却占了宇宙的%，而另外的%则属于更神秘的暗能量。

暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的原因之一。1998年，科学家们通过观测超新星爆炸的光谱，发现宇宙膨胀的速度正在加速，这一发现被认为是宇宙学中的重大突破之一。 根据宇宙学模型，暗能量是推动宇宙加速膨胀的重要因素，其作用类似于引力，但是相反的方向。 它的存在可以解释宇宙学中的一些问题，如宇宙学常数问题和宇宙学奇点问题等。

暗物质和暗能量加起来超过了宇宙总体的95%，如果我们能将这95%了解透彻并加以利用，那么星际航行，甚至时空旅行都将成为可能，人类认识宇宙的能力将达到前所未有的高度。

事实上，我国已经开始了相关方面的研究。 2010年，我国首个极深地下实验室——四川 锦屏地下实验室投入使用。目前清华大学和上海交大等暗物质研究团队已经进驻，开始了对暗物质的研究。 此外世界各国也都不落后，美国、英国、法国、日本等国家也相继建立了地下实验室，大家都在争取早日发现并掌握暗物质。

相关物理学家表示，暗物质和暗能量就像以前的电一样。在人类刚刚掌握电时，根本无法想象后来出现的电脑、电视。一旦掌握暗物质和暗能量，可能整个世界的格局都将改变。

爱因斯坦环作为一种重要的天文现象，不仅能够帮助我们更好地理解引力和相对论的基本原理，而且可以帮助我们研究宇宙的结构和演化。 通过对爱因斯坦环的观测和研究，科学家们发现了许多有趣和重要的现象，并且提出了一些新的理论和模型，如暗物质、暗能量等，这些都对宇宙学研究具有重要的意义。

未来，随着技术的不断发展和观测手段的不断完善，我们可能逐渐了解和掌握暗物质和暗能量，那时我们回头再看爱因斯坦环，就会像有了飞机再看鸟儿的飞行一样。

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