哈勃接收到103亿年前的宇宙信号，爱因斯坦的预言再次应验

今年6月，在太空中为人类观测宇宙长达31年的哈勃太空望远镜发生严重故障，有效载荷计算机宕机。经过地面控制中心科学家的一个多月努力，哈勃终于被修好，继续观测深邃的宇宙。

就在哈勃修好之后不久，哈勃团队公布了一张此前拍摄到的震撼宇宙照片：

从上图中可以看到，图像出现了扭曲，中间有部分形成了圆弧，这就是引力透镜效应。图中偏红色的圆弧其实是103亿光年外的星系，这种现象在宇宙中很罕见。爱因斯坦早在百年前就已经预言了这种现象，如今被越来越多的观测事实所证明。

一说到引力，我们首先想到的是牛顿的万有引力定律。牛顿认为，天上星辰的运动、苹果落地，都是受到引力的作用。万有引力定律展示出了强大的威力，精确算出何时发生日食和月食、让火箭飞上太空、甚至预言海王星的存在。

然而，在预言水星轨道时，牛顿引力定律却出现了问题。水星是太阳系中距离太阳最近的行星，它在绕太阳公转时，每绕行一圈，近日点都会发生偏移，前后两个公转轨道不会重合，这被称为近日点进动现象。

根据观测记录，水星轨道近日点的每世纪进动数值与牛顿引力的预言相差了38角秒。38角秒是个很小的数值，1度为3600角秒，所以这相当于只有0.011度。这还是每100年的相差数值，折合到每年相差更小。

由此可见，牛顿的引力理论其实还是非常好用的。然而，天文学家对此并不满足，因为牛顿理论的预言不是完美的，这意味着万有引力定律有缺陷，一定存在更加强大的未知引力理论。

1915年，爱因斯坦开创性地提出了广义相对论，他用时空弯曲来描述引力效应。根据广义相对论，有质量的物体能够弯曲周围的空间，迫使经过弯曲空间的其他物体或者光子沿着测地线运动，从而产生引力效应。

广义相对论提出后，爱因斯坦很快将其用于计算水星轨道近日点的进动，结果发现理论预言与实际观测结果完全吻合。这是该引力理论的首次验证，也让爱因斯坦感到非常满意。

1916年，爱因斯坦又计算出了遥远恒星发出的光经过太阳附近的弯曲空间时，星光将会发生偏转的角度。3年后，英国天体物理学家爱丁顿通过日全食观测实验证实了爱因斯坦的预言，这让爱因斯坦的名声传向了全世界。

宇宙中的星系几乎都包含成百上千亿颗恒星，成百上千个星系又会组成庞大的星系团，其引力效应十分强大，能够强烈弯曲周围的空间，让遥远星系发出的光经过该空间时，出现明显的扭曲，甚至出现多重影像，从而出现引力透镜效应。

根据刊载于《arXiv》上的一项新研究[1]，此次发现的引力透镜效应由前景星系团MCS J0138.0-2155的强大引力所产生。这个星系团位于38亿光年之外，它强大的引力强烈弯曲了附近的空间。

在这个星系团后方极为遥远的宇宙中，刚好有一个星系MRG-M0138，它距离地球达到了103亿光年，其光信号需要经过长达103亿年的时间才能来到地球上。这个遥远星系发出的光经过星系团附近的弯曲空间时，被强烈扭曲。正常而言，就连哈勃都极难分辨出上百亿光年外的星系，但得益于引力透镜效应，我们在地球上能够观测到如此奇妙的宇宙景象。

此外，在某些更为特殊的情况下，引力透镜还会产生更加罕见的爱因斯坦环：

还有爱因斯坦十字，强大的引力透镜能让遥远的类星体产生四重影像：

参考文献

[1] Steven A. Rodney, Gabriel B. Brammer, Justin D. R. Pierel, et al. A Gravitationally Lensed Supernova with an Observable Two-Decade Time Delay, 2021, arXiv: 2106.08935.

来源：火星科普