爱因斯坦环和爱因斯坦十字架，引力透镜下的绝美图像

每个人都知道，光是直线传播的。可是爱因斯坦的广义相对论却告诉我们，在引力场作用下，光线会弯曲。这一惊人的预测，在1919年5月29日被实验所证实。当天的日蚀给了科学家以绝佳的机会，拍到光线被太阳弯曲1.7弧度秒的照片，与广义相对论预测吻合。这一发现轰动世界，爱因斯坦一夜成名，世人皆知。

上周，科学家发布通过“阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列”（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA）所得到的有史以来最清晰的图像，再一次证实了爱因斯坦的伟大预测。在引力透镜效应下，从地球上观测，一些遥远的星系看起来像一个环。这就是所谓的爱因斯坦环，如下图所示。

形成爱因斯坦环，需要遥远的两个星系和地球形成一条直线，从而打造出这一令人惊异的环状结构。这是对爱因斯坦广义相对论所预测的引力透镜效应的一种特别而稀有的展示。

根据广义相对论，重型星系或星系团会使更远处星系发出的光发生弯曲，从而形成扭曲但高度放大的图像。在照片中所显示的情形中，命名为SDP.81的星系与干涉它的另一个星系非常完美地连成了一条线，使得从地球上看过去，更遥远的SDP.81星系发出的光形成了一个几乎完整的圆环。

SDP.81是赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）发现的距地球120亿光年的一个活跃的恒星-形成星系。那是宇宙形成的初期，其年龄只是现在宇宙的15%。而在它前面的重型星系距离地球40亿光年， 相对来说是个近邻。

ALMA的项目科学家代表Catherine Vlahakis说，“天文学上利用引力透镜效应来研究非常远、非常早期的宇宙。即使是我们最好的望远镜，这一效应也能使它的能力得到显著的提高。这些ALMA新图像的细节程度令人震惊。通过这一扭曲成环形的图像，天文学家现在将能重组其中所包含的丰富信息，从而构建出遥远星系的真实图像。”

上图中，圆环中间明亮桔色的部分是有史以来分辨率最高的图像，显示的是SDP.81星系中发光的尘埃。其明显的圆弧特征意味着存在一个更完整的、几乎连续的环形结构。其它分辨率略低的图像追踪到的是一氧化碳和水发出的毫米波长的光，这些图像与高分辨率的图像一起构成了上图，同时还提供了关于这个遥远星系的重要细节。下图是ALMA/Hubble合成的图像，环中央弥散性的蓝色部分来自较近的对SDP.81产生干涉的星系，是哈勃望远镜所看到的图像。

重力与SDP.81的光的相互作用以前也被其它的观测研究过，如亚毫米波阵列和德布尔高原干涉仪的毫米波/亚毫米波观测，以及哈勃望远镜的可见光观测等。但科学家从未捕获过ALMA所展示出的环状结构的卓越细节。

位于美国佛吉尼亚州夏洛特的国家射电天文学天文台的Jacqueline Hodge说，“ALMA图像中包含的细腻信息对我们理解宇宙早期的星系极其重要。天文学家可利用复杂的计算机程序来重构引力透镜下的星系的真实面貌。引力透镜导致光的弯曲，这使得我们能够比以前更清晰地研究遥远星系的真实形状和内部运动。”

ALMA在这些观测中实现了它的惊人的高分辨率，达23毫弧秒。这相当于从美国帝国大厦的观光台上看到艾菲尔铁塔顶端上一个篮球筐的筐缘。

ALMA的主任Pierre Cox说，“ALMA的高分辨率和高敏感度揭开了那些难以得到的早期宇宙的细节。这些结果开辟了天文学的一个新的前沿，并且证实了ALMA能够真正实现它革新科学的诺言。”

如同人戴眼镜，有时候会出现重影一样，在引力透镜下，聚焦不准确的时候，我们还有可能看到同一星系的四重影像，如下图所示。这被称做爱因斯坦十字架。

爱因斯坦将时空维度统一在一起，而这些爱因斯坦环和爱因斯坦十字架，是对这一统一的最好诠释，也是爱因斯坦心中的上帝对他最好的纪念。

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