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50億光年外,天文學家發現星系一分為二,愛因斯坦又對了?

2024-08-11科學

在 21 世紀的當下,人類文明對於自然規律的認知與運用已達頗高水準,無論是星球的執行,還是細胞的分裂,皆存在一系列詳盡的理論予以闡釋。

然而,少有人知曉的是,現代文明的各類科學技術成果,實則均以一個世紀乃至更久以前的理論為基礎。換句話說,自愛因斯坦起,基礎物理學已停滯逾一個世紀。當下的航空航天與電腦領域,運用最為廣泛的依舊是牛頓的萬有重力定律,以及量子力學中有關半導體的一小部份內容。包括相對論在內的諸多理論,現今仍未實作向技術的轉化。

即便對於相對論所作出預言的驗證工作,當下仍在持續開展,自初始的黑洞至重力波,繼而到時間膨脹與質能方程式,在一輪輪的驗證行程裏,科學家們一次次領略到愛因斯坦的卓越。然而,部份預言唯有在宇宙的深邃之處方可觀測到。

【重力透鏡】

現今您所見到的此張照片,由天文學家於 1979 年 3 月拍攝所得,其影像中心為兩顆外觀及亮度均極為相近的類星體,然而實際上這兩個類星體乃是同一者,之所以呈現出一分為二的奇特景象,緣由在於該類星體與地球之間存有一個大型重力源。

依據愛因斯坦廣義相對論的預言,光在途經大質素天體時,會受其重力作用,從而產生一定程度的偏轉。故而此前觀測到的類星體一分為二的現象,乃是類星體所發出的光在抵達地球的途中,遭逢某個質素更為龐大的天體重力折射,進而於數十億光年的範圍上分裂為兩個全然一致的類星體影像。

要破除此種障眼法頗為簡便,僅需將觀測波段由可見光轉換至無線電波段即可。緣由在於,那被折射出的另一虛假類星體僅可於可見光波段被觀測到,其本身無質素,亦不會發射電磁波,故而借助射電望遠鏡進行觀測,便可辨別出哪個類星體為真實的。

20 世紀 90 年代,哈伯太空望遠鏡發射升空後,天文學家首次具備於地球之外觀測星空的條件,擺脫了地球大氣散射的影響,哈勃望遠鏡開始持續拍攝並獲取來自宇宙深處的高畫質影像,而後將其傳送至地面控制中心。

【於是重力透鏡又被發現了】

此次所發現的重力透鏡,於天文學中稱作愛因斯坦十字,即透鏡星系的兩邊均有一個類星體,光線途經重力透鏡時會被彎折,從而形成兩個對稱的影像,在宇宙範疇內構成一個彎曲的十字,此即為愛因斯坦十字。

頗為有趣的是,愛因斯坦十字實則為一大型望遠鏡。據哈伯所拍攝影像表明,重力透鏡的成像星系距我們雖為50億光年,然而該星系本體與地球的距離實則為90億光年,僅是其發出的光歷經40億光年的飛行後,遭遇重力源,進而折射出一個新的可見光波段影像。

由此明顯可知,雖肉眼不可見卻可折射光線的重力,恰似望遠鏡的鏡片,倘若角度與距離恰當,宇宙中天體內的重力透鏡相互組合,便構成一架巨型的天文望遠鏡。

經計算,太陽所形成重力透鏡的焦點處於550個天文單位處,即825億公裏之遙。依天文學家構想,未來若能發射一艘大型航天器至距太陽550個天文單位的位置,那麽太陽自身的重力透鏡將成為太陽系中規模最大、成像效果最佳的望遠鏡。

從理論層面來講,以太陽重力透鏡搭配觀測飛船所構成的超級望遠鏡,可直接觀測到 4.22 光年外比鄰星 b 的具體情況,然而在此之前,不管是哈勃望遠鏡,還是地面天文台,在對比鄰星進行觀測時,所看到的僅僅是一個毫無任何細節的光點,就連恒星最為基本的圓盤形態都無法觀測到。

【總體而言】

愛因斯坦的廣義相對論猶如一座寶庫,一個多世紀前的此理論,為現代天文學家所發現的眾多新現象提供了理論支撐,諸如黑洞、重力波以及重力透鏡等。這些新的發現極大地增進了人類對宇宙的認知。

迄今,相對論中僅余的兩項未被證實的預言為蟲洞與白洞。從理論上講,蟲洞可連線數十億光年乃至上百億光年範疇內的天體,使人類在不超越光速的條件下,於短時間內跨越數十億乃至上百億光年的距離。

而對於白洞,愛因斯坦覺得其為黑洞的逆態,黑洞始終在吸納物質,白洞則始終在向外釋放物質,然而迄今宇宙中未見白洞的蹤影。