110亿光年外传来“十字”信号,如何证明爱因斯坦又对了?

爱因斯坦最伟大的物理学成就莫过于创立广义相对论,这是一个比牛顿万有引力定律更加强大、更加普适的引力理论,它用几何效应来描述引力作用。凭借着相对论以及对量子力学的贡献,爱因斯坦与牛顿被公认为是人类史上最伟大的两位物理学家。

广义相对论认为,在物质和能量的作用下,平坦的空间会发生弯曲。无论是物体,还是光,或者其他粒子,它们在弯曲空间中都会沿着测地线运动,这样让它们的运动看起来受到了引力作用。

在1915年,通过广义相对论,爱因斯坦成功解释了水星近日点反常进动现象。此外,爱因斯坦计算出了光线经过太阳附近时所偏转的角度,这得到了爱丁顿的日食观测实验的证实。

更进一步,爱因斯坦预言,大质量天体对空间造成强烈弯曲,光线经过其中时会被大幅度弯曲。大质量天体就像透镜一样扭曲光线,产生引力透镜效应。产生显著的引力透镜效应需要满足两大条件,其一,需要质量足够大的前景天体,比如星系、星系团。其二,背景光源、大质量天体与地球刚好处在同一条线上。

在爱因斯坦提出引力透镜效应之后的半个多世纪里,受限于天文望远镜的分辨能力,天文学家都没有观测到这种现象。直到1979年,天文学家才首次观测到一个前景星系让遥远的类星体出现重影,引力透镜效应首次被发现。

此后,天文学家发现了一系列的引力透镜效应,有些可以产生环状扭曲的图像,它们被称为“爱因斯坦环”,例如,这个著名的“笑脸星系”:

“眼睛”和“鼻子”部分是位于45亿光年外的前景星系团,其强大的质量扭曲了周围时空。环状部分是76亿光年外的背景星系,它们发出的光经过前景星系团时被强烈扭曲,让我们在地球上看到了扭曲图像。

“宇宙马蹄铁星系”是另一个著名的爱因斯坦环:

圆环中心的亮斑是一个质量高达银河系100倍的前景星系,距离我们52亿光年。环状部分是背景星系,远在103亿光年之外。

除了爱因斯坦之外,还有一种更加特别的引力透镜效应——爱因斯坦十字:

这是由哈勃太空望远镜拍摄到的,十字中心的亮斑为前景星系,距离我们5亿光年。周围的四个星点其实都是同一个物体,它是远在110亿光年外的类星体QSO 2237+0305。从地球上看来,类星体与前景星系几乎完全重叠(间隔小于0.05角秒),所以才产生了奇特的爱因斯坦十字。

在爱因斯坦十字中,作为背景光源的类星体也是爱因斯坦的预言结果。类星体其实是非常活跃的超大质量黑洞,位于星系的中心。

QSO 2237+0305发出的光用了110亿年到达地球,我们看到的是110亿年前的景象。那时,宇宙才诞生28亿年,早期星系中的气体云非常丰富。星系中心的超大质量黑洞能够大量吞噬气体云,发射出强烈的电磁波。所以即便类星体距离地球极其遥远,我们仍能观测到。