詹姆斯·韦伯空间望远镜首次“开眼”,拍到了迄今最遥远、最清晰的宇宙红外图像。这张照片中显示的是一个巨大的星系团,叫SMACS 0723,其中包含数千个跟银河系相当的星系。

然而,那是这个星系团46亿年前的样子,因为它距离我们46亿光年,望远镜接收到的光,是46亿年前发出的,那时候我们的太阳可能还是分散在太空中的一团是尘埃。

这个图像包括的范围看起来非常大,但NASABOSS比尔·纳尔逊(Bill Nelson)却把其中的星系团形容为“宇宙中的一个小点点”,就像“一臂远的指尖上的一粒沙子”,詹姆斯·韦伯望远镜拍摄到的,只是无比广阔的宇宙背景中非常非常(如果你不介意,这里我还想再添上几百个“非常”)渺小的一部分。

但是问题来了,NASA声称这是迄今为止人类拍到的“最遥远,最清晰”的宇宙红外图像,但是为什么我们却可以明显看到图像中央有一个环形的扭曲部分?一些星系的光,都被扭曲成弧线了!这看起来就像我们的手机摄像头被沾上水雾拍出来的效果,有人可能会问,难道詹姆斯·韦伯望远镜在拍那张照片之前,忘记把镜头擦干净了?

实际上,这个环形的扭曲部分,恰恰反应了照片的真实性,那不是望远镜的问题,而是一种叫“爱因斯坦环”的光传播效应在起作用。

什么是爱因斯坦环?这得从爱因斯坦提出的广义相对论开始说起,广义相对论中提到,有质量的物体的存在会扭曲时空,质量越大,对时空的扭曲就越大,这就意味着,当光经过一个质量超大的物体(比如恒星或黑洞)附近时,不会再沿着直线传播,而是会发生偏折——引力透镜效应。

也就是说,当超大质量物体位于光源和观察者中间,而且三者精确对齐的时候,光源发出的光可能不会被超大质量物体遮挡,而是因为超大质量物体对时空的扭曲,而发生偏转,直接绕过它而到达观察者那里。而观察者看到的,是一个遥远的环状结构,而这,就是著名的爱因斯坦环。

如下图所示,橙色箭头代表的是背景光源发出的光的原本的传播路径,但由于中间隔着一个巨大的天体,光线发生完全弯曲,白色箭头代表的是光的实际传播路径,是弯的。而对于观察者,他们看到的是一个环形的结构。

早在1912年,爱因斯坦在提出广义相对论之前,就通过复杂的计算预言了引力体对光的弯曲效应。但环形效应最早是物理学家奥瑞斯特·赫沃森Orest Khvolson)在他的论文中提出的,他提到了当光源、透镜(引力体)和观察者接近完美对齐的时候,会产生“光环效应”。爱因斯坦在1936年,在对这种效应进行评论,他说:

当然,我们是没有希望直接观察这种现象的,首先,我们几乎不会离这样一条中心线足够近,其次, β角 (光线的偏转角)将违背我们仪器的分辨能力。

即使他认为这种现象是“没有希望被观察到的”,但他还是用公式量化了这种环状效应,如上图所示,其中的θ1角正是他所提到的β角。但爱因斯坦终究是低估了人类的发现能力,在2004年到2005年期间,哈勃望远镜执行了一个叫“斯隆透镜”(SLACS)的计划,在可见光下发现了8个新的爱因斯坦环(此前已经发现了3个)。

在哈勃望远镜拍摄的图像中,淡蓝色的环形图案漂浮在红白色的斑点上,这是两倍远的光源被20亿到40亿光年外的巨大椭圆形星系的引力扭曲形成的引力透镜效应,也就是爱因斯坦环。

因此,你看到的詹姆斯·韦伯拍摄的第一张宇宙红外图像中心有个扭曲的环形,不是望远镜的镜头问题,而是遇到了引力透镜效应,形成了一个不太完美的爱因斯坦环。为了证明这不是望远镜的问题,下面我们还提供了詹姆斯·韦伯望远镜拍摄到的其他天体的图像(来自欧洲航天局官网),其中一些图像十分清晰:

WASP-96b行星,詹姆斯·韦伯探测到这颗炽热的行星的大气中有水的存在。

南环星云,它距离我们2000光年,这些气体或尘埃围绕着一颗垂死的恒星。

斯蒂芬的五重奏,恒星正在从围绕星系旋转的大量气体和尘埃中诞生。

船底座星云更清晰的图像,此前哈勃望远镜从中拍到一个被称为“叛逆手指”的部分(下图),期待詹姆斯·韦伯再次探索那里,让我们看清那里究竟发生了什么。

举报/反馈

寰宇科学新观察

134万获赞 12.3万粉丝
用科学的视角,为你呈现宇宙的写真
优质科学领域创作者
关注
0
0
收藏
分享