愛因斯坦的宇宙望遠鏡

邁克爾·萊蒙尼克

為什么一顆恒星看起來在四個不同的地方、四個不同的時間發生了爆炸？

一組天文學家在《科學》雜志上發表文章稱，他們目睹了一顆遙遠的恒星在四個不同地方、不同時間爆炸成一顆超新星。在量子物理學的思想實驗中，盒子里的貓可以被認定為既是死的又是活的，但這些天文學家觀測到的并不是宇宙版的“薛定諤的貓”。大約90億年前，有一顆恒星爆發形成超新星。該恒星爆炸發出的光在到達哈勃空間望遠鏡之前，要經過位于望遠鏡視野近景的一個星系團。當然，“近景”是一個相對概念，因為這個星系團距地球大約50億光年，而這顆超新星與地球的距離幾乎是這一距離的2倍。星系團通過引力透鏡效應，扭曲并放大了超新星爆發的光線，產生了“愛因斯坦十字”，即四個點圍繞近景星系團的明亮中心，形成了一個特別的超新星分裂影像。

雖然“愛因斯坦十字”是根據廣義相對論預測出來的，愛因斯坦也是第一個在科學文獻中闡述該十字的人，但實際上，這件事跟他的關系并不大。1936年，愛因斯坦在《科學》雜志上發表了一篇題為《恒星通過引力場偏折光線的類透鏡行為》的論文。在論文的開篇，他寫道：“前段時間，R.W.曼德爾來拜訪我，并讓我將一點計算的結果發表出來。這個所謂的‘一點計算是在他的請求下做出的，這篇短文滿足了他的愿望。”曼德爾是捷克工程師、業余科學家。有一天，他來到普林斯頓高等研究所，請求愛因斯坦寫一篇有關引力透鏡效應概念的文章，而且曼德爾事先已經對此有了一些想法。

根據科學史家余爾根·雷恩和蒂爾曼·索爾對這個小插曲的記述，曼德爾就是一個“狂想家”。他認為，引力透鏡通過某種方式將宇宙射線聚焦到地球，可能造成地球上的生物大滅絕。那次會面之后，愛因斯坦寫信給他，說：“你對這種現象的奇特猜想只會讓你淪為理性天文學家的笑料。”然而，最后，愛因斯坦還是心軟了，盡管他對這個猜想明顯沒有太大的熱情。在寫給《科學》 雜志的投稿信中，愛因斯坦把他提交的那篇論文稱為“一篇微不足道的小文章，是曼德爾先生逼著我擠出來的”。他還補充說，這篇論文“沒什么價值，但會令那個可憐的家伙高興”。他還在論文中專門指出，雖然公式證明了引力透鏡理論，但在現實世界里“沒有機會觀察到這一現象”。根據他的計算，兩顆恒星精確對齊的概率還是非常高的。

愛因斯坦最后一部分的說法是正確的，但他并沒有考慮到更大、更亮的天體——超新星、整個星系或星系團——排成一線的概率更高。即使他考慮到了，那個時代的望遠鏡也不可能發現這一現象。直到1979年，英國和美國的天文學家小組發現了雙類星體，該星體是某個星系中耀眼的星系核，距離地球約140億光年。其影像被一個叫作YGKOWG1的星系一分為二。結果證明，愛因斯坦對引力透鏡理論價值的判斷是錯誤的。事實上，這種效應自發現雙類星體后的幾十年里，已被證明是天文學家的有力工具。引力透鏡效應就如同一架天然望遠鏡，將遙遠的天體放大，使得地球人能觀測到它們。

愛因斯坦十字，或稱愛因斯坦十字架，位于飛馬座內（赤經：2 2h4 0m3 1s，赤緯：+ 0 3 ° 2 1 ′ 3 0 . 3 ″），是引力透鏡效應最著名的例證之一。它包括較遠處一個類星體的四重影像，以及較近處一個前景星系的核心。

引力透鏡效應還為探測暗物質的分布提供了線索。這些看不見的暗物質在附近的星系團中形成旋渦，通過觀察背景星系形狀的細微扭曲，科學家可以推斷出暗物質的位置。最后，引力透鏡可以幫助宇宙學家確定宇宙的大小及其膨脹速度。新發現的這顆超新星被命名為雷夫斯達爾，以紀念已故挪威天體物理學家舒爾·雷夫斯達爾，他研究的正是這些問題。這是一道放大到宇宙規模的高中幾何題：如果已知愛因斯坦十字四個點之間的距離，以及四個點之間構成的角度，就可以精確計算出星系團和超新星之間的距離，以及二者與地球之間的距離——用其他方法只能測量大概距離。

引力透鏡現象把這些遙遠星系弄成了這副怪誕的模樣。這張結合錢德拉X 射線天文臺和哈勃空間望遠鏡可見光數據的影像，周圍環繞著容易引發人聯想的光弧。這些可見光弧是遙遠背景星系受到星系群包括暗物質在內的所有質量的引力聚焦，而形成的蜃影。實際上，構成“眼睛”的兩個大型橢圓星系，是合并中的兩個星系群的最明亮成員。因為它們碰撞的相對速率高達1 3 5 0 千米/ 秒，所以氣體被加熱到數百萬攝氏度，輻射出被渲染成紫色的X射線輝光。柴郡貓星系群位于大熊座內，距離地球約4 6 億光年。

對這種現象的應用也許還沒結束。現在，超新星雷夫斯達爾的四重影像呈現在我們視野中的光線，從不同的路線穿過近景星系團，在幾天或幾周的時間里，它們都分別出現了。或許雷夫斯達爾發出的光線還有更多的路徑，只是目前還沒有進入我們的視野，愛因斯坦十字上的第五個和第六個點也許明天就會出現。