120亿光年外，遥远星系产生最完美的爱因斯坦环！这是什么现象

自从7月发布了第一张图像开始，美国宇航局的詹姆斯·韦布太空望远镜就在疯狂地输出。最近的一张图像又一次震惊了世界，韦布拍摄到了迄今为止最完美的爱因斯坦环，令人震撼。

首先，我们要介绍一下，什么是爱因斯坦环。说到爱因斯坦环，就要先提到一个我们经常说的概念——引力透镜效应。

引力透镜效应是根据爱因斯坦的广义相对论引申出来的一个概念。我们知道，爱因斯坦发现，大质量的天体可以扭曲周围的时空，以至于原本沿直线传播的光线跟随着时空发生了扭曲，改变方向。这意味着，如果有物体在空间上被大质量天体遮挡，它的光线可能会在大质量天体的引力作用下发生扭曲，被我们看到。

看下面的示意图就会发现，这种光线的扭曲和凸透镜的聚光效果有点类似，因此这种现象被称为引力透镜效应。引力透镜效应不仅能够让我们看到被遮挡的天体，而且就像凸透镜能作为放大镜一样，前景天体也能够放大背景天体的图像，让一些原本看不清的遥远天体呈现在我们的面前。

比如韦布望远镜发布的第一张图像，就是利用引力透镜效应拍摄的宇宙深空图片。这张照片是利用距离我们46亿光年的SMACS 0723星系团发挥的引力透镜效应，让我们看到了更加遥远的背景星系。

在这张图片的中心部分，有几个圆弧，看起来不像是任何天体。这就是爱因斯坦广义相对论预言的一个现象，因此天文学家们称之为爱因斯坦环。不过，和其他很多现象一样，爱因斯坦环也不是爱因斯坦本人直接预言的，而是由其他科学家根据广义相对论推测出来的。

其实爱因斯坦环的原理并不难理解，在日常生活中就能模拟。你可以拿着一只水杯，透过杯底看纸上的字，就有可能看到类似的效果。

当背景天体、前景天体和地球达到相对完美的相对位置时，就会产生这样的爱因斯坦环。由于对位置的要求比较高，所以迄今为止被人类观测到的爱因斯坦环也比较有限，而且通常来说都是像这样的不完整的圆弧。

这一次，韦布望远镜让我们见识了什么叫完美的爱因斯坦环。一个距离我们大约120亿光年的遥远星系发出的光，在一个名叫SPT-S J041839-4751.8的前景星系的引力扭曲之下，在韦布望远镜的眼中呈现出近乎完美的圆弧，确实是非常令人惊叹。

韦布望远镜利用中红外仪器（MIRI）拍摄了这张图像，一位网名叫Spaceguy44的天文学研究生对图像进行了渲染。这位研究生指出，如果不是SPT-S J041839-4751.8星系，我们可能都看不到它后面的那个天体。

而且，这也不是韦布望远镜第一次利用SPT-S J041839-4751.8星系的引力透镜效应拍摄到爱因斯坦环。在8月早些时候，韦布的近红外相机（NIRCam）就在这个方向拍摄到一个爱因斯坦环，当时的图像也是Spaceguy44渲染的，只不过没有这一次这么清晰。

爱因斯坦环的大小，受到许多因素的影响，我们可以通过一个公式来计算——

和其他天体一样，爱因斯坦环的大小需要以弧度来衡量。其中：

G代表万有引力常数；

M代表前景天体的质量；

c代表真空中的光速；

DL代表前景天体的角直径距离；

DS代表到光源的角直径距离；

DLS代表的是前景天体到光源的角直径距离距离。

历史上第一个被人类观测到的爱因斯坦环，出现于1998年，当时英国曼彻斯特大学的天文学家利用美国宇航局的哈勃太空望远镜取得了前所未有的发现，并将其命名为B1938+666。

比较经典的爱因斯坦环还有2008年时的一张图像，当时在美国第21届天文学会会议上，天文学家展示了一张来自哈勃望远镜的名叫SDSSJ0946+1006的经典图像，这张图像里竟然出现了极其罕见的双爱因斯坦环！

从上面的概念中大家也能想象到，这是有3个星系都以近乎完美直线的形状排列在地球眼前，可以想象概率有多低。发现这个双环的天文学家推测，看到这种特殊排列的概率大概只有1/10000！

据观测，这个双爱因斯坦环的前景星系是一个被暗物质晕包裹的矮星系，距离我们大约10亿光年，质量大约是太阳的10亿倍。内环来自于一个距离我们60亿光年的星系，而外环的星系则位于110亿光年以外。

当然，产生爱因斯坦环的前景天体不一定非得是星系，也可以是其他天体，比如黑洞。只不过迄今为止，还没有人发现过由黑洞产生的爱因斯坦环，只有天文学家根据理论模拟的黑洞产生爱因斯坦环的画面——

和黑洞相比，恒星的质量要更小，产生的引力透镜效应和爱因斯坦环都不那么明显，这意味着被观测到的概率还要更低。但如果条件足够合适，我们还是有机会观测到由恒星产生的引力透镜效应的。

根据天文学家的观测，南门二A星（也就是比邻星所在的三合星系统中最亮的那一颗恒星）有望在2028年5月的时候运行到地球和另一颗红矮星之间。根据推测，届时我们有45%的概率在人类历史上首次见证恒星与恒星之间产生引力透镜效应和爱因斯坦环的画面，场景令人期待。

到现在为止，韦布望远镜发射升空也只有短短8个多月的时间，实际观测的时间更短，就已经输出了这么多经典的图片。可以想象，在未来，它还会拍摄到更多精彩的爱因斯坦环，想一想就有点激动呢。