爱因斯坦的宇宙望远镜

为什么一颗恒星看起来在四个不同的地方、四个不同的时间发生了爆炸？

一组天文学家在《科学》杂志上发表文章称，他们目睹了一颗遥远的恒星在四个不同地方、不同时间爆炸成一颗超新星。在量子物理学的思想实验中，盒子里的猫可以被认定为既是死的又是活的，但这些天文学家观测到的并不是宇宙版的“薛定谔的猫”。大约90亿年前，有一颗恒星爆发形成超新星。该恒星爆炸发出的光在到达哈勃空间望远镜之前，要经过位于望远镜视野近景的一个星系团。当然，“近景”是一个相对概念，因为这个星系团距地球大约50亿光年，而这颗超新星与地球的距离几乎是这一距离的2倍。星系团通过引力透镜效应，扭曲并放大了超新星爆发的光线，产生了“爱因斯坦十字”，即四个点围绕近景星系团的明亮中心，形成了一个特别的超新星分裂影像。

虽然“爱因斯坦十字”是根据广义相对论预测出来的，爱因斯坦也是第一个在科学文献中阐述该十字的人，但实际上，这件事跟他的关系并不大。1936年，爱因斯坦在《科学》杂志上发表了一篇题为《恒星通过引力场偏折光线的类透镜行为》的论文。在论文的开篇，他写道：“前段时间，R.W.曼德尔来拜访我，并让我将一点计算的结果发表出来。这个所谓的‘一点计算’是在他的请求下做出的，这篇短文满足了他的愿望。”曼德尔是捷克工程师、业余科学家。有一天，他来到普林斯顿高等研究所，请求爱因斯坦写一篇有关引力透镜效应概念的文章，而且曼德尔事先已经对此有了一些想法。

根据科学史家余尔根・雷恩和蒂尔曼・索尔对这个小插曲的记述，曼德尔就是一个“狂想家”。他认为，引力透镜通过某种方式将宇宙射线聚焦到地球，可能造成地球上的生物大灭绝。那次会面之后，爱因斯坦写信给他，说：“你对这种现象的奇特猜想只会让你沦为理性天文学家的笑料。”然而，最后，爱因斯坦还是心软了，尽管他对这个猜想明显没有太大的热情。在写给《科学》 杂志的投稿信中，爱因斯坦把他提交的那篇论文称为“一篇微不足道的小文章，是曼德尔先生逼着我挤出来的”。他还补充说，这篇论文“没什么价值，但会令那个可怜的家伙高兴”。他还在论文中专门指出，虽然公式证明了引力透镜理论，但在现实世界里“没有机会观察到这一现象”。根据他的计算，两颗恒星精确对齐的概率还是非常高的。

爱因斯坦最后一部分的说法是正确的，但他并没有考虑到更大、更亮的天体――超新星、整个星系或星系团――排成一线的概率更高。即使他考虑到了，那个时代的望远镜也不可能发现这一现象。直到1979年，英国和美国的天文学家小组发现了双类星体，该星体是某个星系中耀眼的星系核，距离地球约140亿光年。其影像被一个叫作YGKOWG1的星系一分为二。结果证明，爱因斯坦对引力透镜理论价值的判断是错误的。事实上，这种效应自发现双类星体后的几十年里，已被证明是天文学家的有力工具。引力透镜效应就如同一架天然望远镜，将遥远的天体放大，使得地球人能观测到它们。 爱因斯坦十字，或称爱因斯坦十字架，位马座内（赤经：2 2h4 0m3 1s，赤纬：+ 0 3 ° 2 1 ′ 3 0 . 3 ″），是引力透镜效应最著名的例证之一。它包括较远处一个类星体的四重影像，以及较近处一个前景星系的核心。

引力透镜效应还为探测暗物质的分布提供了线索。这些看不见的暗物质在附近的星系团中形成旋涡，通过观察背景星系形状的细微扭曲，科学家可以推断出暗物质的位置。最后，引力透镜可以帮助宇宙学家确定宇宙的大小及其膨胀速度。新发现的这颗超新星被命名为雷夫斯达尔，以纪念已故挪威天体物理学家舒尔・雷夫斯达尔，他研究的正是这些问题。这是一道放大到宇宙规模的高中几何题：如果已知爱因斯坦十字四个点之间的距离，以及四个点之间构成的角度，就可以精确计算出星系团和超新星之间的距离，以及二者与地球之间的距离――用其他方法只能测量大概距离。 引力透镜现象把这些遥远星系弄成了这副怪诞的模样。这张结合钱德拉X 射线天文台和哈勃空间望远镜可见光数据的影像，周围环绕着容易引发人联想的光弧。这些可见光弧是遥远背景星系受到星系群包括暗物质在内的所有质量的引力聚焦，而形成的蜃影。实际上，构成“眼睛”的两个大型椭圆星系，是合并中的两个星系群的最明亮成员。因为它们碰撞的相对速率高达1 3 5 0 千米/ 秒，所以气体被加热到数百万摄氏度，辐射出被渲染成紫色的X射线辉光。柴郡猫星系群位于大熊座内，距离地球约4 6 亿光年。

对这种现象的应用也许还没结束。现在，超新星雷夫斯达尔的四重影像呈现在我们视野中的光线，从不同的路线穿过近景星系团，在几天或几周的时间里，它们都分别出现了。或许雷夫斯达尔发出的光线还有更多的路径，只是目前还没有进入我们的视野，爱因斯坦十字上的第五个和第六个点也许明天就会出现。