爱因斯坦环
前不久看到新闻说“科学家发现了最近的爱因斯坦环”。什么是“爱因斯坦环”？发现它有啥用呢？
简单来说，爱因斯坦环是一种特殊的天文现象。当年，爱因斯坦的广义相对论刚刚提出后不久，很快他便预言：如果一个大质量天体（比如星系或星系团），当它位于地球和另一个发光天体（比如一个更加遥远的星系）之间，并且三者几乎精确对齐时，那么大质量的天体的引力场将会使遥远光源发出的光线发生弯曲，该效应被称为“引力透镜（gravitational lensing）”效应。
根据尺度和效果不同，引力透镜可以分为微引力透镜、弱引力透镜以及强引力透镜。微引力透镜一般是由恒星级天体引发，光线偏转非常微弱，通常情况下无法直接观测到透镜所成的像，只能看到天体的光度有瞬间增强现象。而弱引力透镜就会明显一些，因为它的规模更大，通常由一整个星系引起。要说最为明显的，那还得是强引力透镜，它的前景天体一般是庞大的星系团（至少也得是个大个头的椭圆星系）。这些天体质量巨大，足以严重扭曲路过的光线，甚至能让背景光源产生多个像。
比如著名的“爱因斯坦十字（Einstein Cross）”，它就是背景光源在前景天体周围产生的上下左右四个像，连起来就像个“十”字，因此被称为“爱因斯坦十字”。假如前景天体的质量分布比较均匀且高度对称，而背景光源也相对较大（不是那种小光点，而是大一些的光斑），那么这时候强引力透镜甚至能让背景光源从光斑直接变成一个圆环，这便是“爱因斯坦环（Einstein ring）”。
虽然这些现象早在百年前就被预言，但受限于技术，当时的人们还没办法通过观测去验证。直到后来，随着射电天文学的发展，1988年天文学家通过甚大天线阵列（VLA）才发现了第一个爱因斯坦环（MG1131+0456）。不过因为是通过射电方式，所以当时并未完全确认其真实性。后来，随着光学望远镜的进步，人们终于在光学波段也发现了爱因斯坦环。比如1998年哈勃望远镜发现的B1938+666，它被认为是爱因斯坦环的首次明确发现。借助哈勃望远镜，后来天文学家又发现了多个爱因斯坦环。
现如今，其实我们有更加善于发现引力透镜的望远镜，比如2023年刚刚发射的欧几里得望远镜。就在前不久，天文学家在欧几里得的数据中，意外发现了个特殊的爱因斯坦环。特殊的地方在于，先前发现的那些环几乎都在几十亿光年以上，但新发现的这个环距离我们仅有6亿光年（z=0.042），是迄今为止距离我们最近的。
注意：“6亿光年”这个距离实际指的是前景天体的距离（也就是NGC 6505这个椭圆星系到我们的距离），而那个被扭曲图像的真实天体，其实是椭圆星系后方的一个更加遥远的星系，距离我们44.2亿光年（z=0.406）。可以看出，要不是前面这个“放大镜”（NGC 6505），我们可能永远发现不了它背后的那个星系。这也是爱因斯坦环以及引力透镜效应在天文学上的一个用途——它可以放大那些非常遥远的天体，使我们看到和看清更多的细节，这为我们研究宇宙早期的恒星形成以及星系的演化至关重要。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：Linvo说宇宙
审核：苟利军 中国科学院国家天文台 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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