根据一项近日发表在《天体物理学杂志》上的新研究,科学家利用位于阿尔卑斯山的“北部扩展毫米波射电望远镜阵列”(NOEMA),以及位于阿塔卡马沙漠的“阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列”(ALMA),在大约117亿光年外,发现了五个看上去一模一样的星系(如下图所示)。
这种奇异的现象应该如何解释呢?由于这五个星系在整体上排列成一个十字形,所以科学家首先想到的就是,这应该是“爱因斯坦十字”。
简单来讲,“爱因斯坦十字”的形成与引力透镜效应密切相关,根据广义相对论,引力的本质其实就是时空的弯曲,所以如果在观测者与观测目标之间有一个质量足够大的前景天体,那么在观测目标发出的光经过这个前景天体附近空间时,就会发生明显的弯曲,如此一来,观测者就可能看到多个观测目标的虚像。
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这种现象就是引力透镜效应,而在特定的情况下,引力透镜就可以形成呈对称十字排列的虚像,这就被称为“爱因斯坦十字”。
然而科学家很快发现,事情并不是想象中的那么简单,要知道“爱因斯坦十字”的中心区域,应该是产生引力透镜效应的前景天体,它会挡住目标天体,所以其中心区域,要么就是前景天体的光芒,要么就直接被遮挡了。
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(↑已知的“爱因斯坦十字”之一,位于飞马座方向,距我们大约80亿光年,可以看到在它的中心区域其实是前景天体的光芒)
也就是说,如果此次发现的真的是“爱因斯坦十字”,那它的中心区域就不应该出现那个虚像,但实际观测却显示,它的中心区域清清楚楚地出现了一个虚像。
尽管如此,科学家仍然认为这五个看上去一模一样的星系,应该是一个被称为“HerS-3”的星系因为引力透镜所形成的,根据测算,这个星系距离地球大约117亿光年,于是他们就开始致力于寻找产生引力透镜的前景天体。
而在经过一系列的观测之后,他们发现,在“HerS-3”和地球之间,距离我们大约78亿光年的区域,确实存在4个星系(下图中的G1至G4)。
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所以科学家就推测,这4个星系应该充当了前景天体,它们引力场的共同作用所产生的引力透镜,让“HerS-3”发出的光形成了5个虚像,其中就包括了中心区域的那个虚像,而在我们看来,这个虚像正好位于这4个星系的间隙之中,所以我们就可以看到它(如下图所示)。
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有了这个推测,当然就要进行验证了,于是科学家利用对这4个星系的观测数据建立起引力透镜模型,然后尝试通过调整不同的参数来重现实际观测到的情况。
模拟结果是令人意外的,无论他们如何调整参数,这4个星系都不能重现实际观测到的情况,模拟出的结果要么是中间那个虚像位置不对,要么就是其他4个虚像的位置不对,而假如在特定位置(下图中标为DM的位置)上额外加上一个足够大的质量团,那所有虚像的位置就都可以调整到与实际观测到的情况一模一样。
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但问题是,根据科学家的计算,这个额外加入的质量团的范围可达十万光年以上,质量则相当于太阳的几万亿倍,然而观测数据却表明,在那个特定位置上,什么都没有。
为什么会这样呢?难道是宇宙出bug了吗?实际上,近些年来确实有科学家提出了“虚拟宇宙论”,该理论认为,宇宙有可能是一个虚拟程序,在此前提成立的情况下,宇宙中很多令人费解的现象就可以得到合理的解释。
所以根据该理论可以推测出,如果宇宙真是虚拟的,出点bug也是可以理解(毕竟宇宙那么大嘛),或许是因为某种原因,这个虚拟程序错误地生成了五个一模一样的星系。
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当然了,“虚拟宇宙论”只是一种未经证实的假说,虽然该理论也有一些的支持者,但这并没有得到科学家的普遍认同。那么,从自然形成的角度来说,这又应该如何解释呢?对此,科学家给出的推测是,这应该与暗物质密切相关。
关于暗物质,相信大家或多或少都听说过,简单来讲就是,暗物质不会发光,也不会吸收和反射光,但它们却有质量,并可以产生与其质量相匹配的引力。
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所以科学家就推测,这个“额外的质量团”应该是由大量暗物质构成的“暗物质晕”,虽然我们无法直接观测到它的存在,但它与前面提到的那4个充当前景天体的星系的引力场的共同作用所产生的引力透镜,却让我们看到了这个奇异的“爱因斯坦十字”。
就目前的情况来看,这也只能算是一种合理的推测,实际情况是否真是如此还有待进一步的探索,毕竟我们连暗物质是否真的存在都不是很确定……
参考资料:HerS-3: An Exceptional Einstein Cross Reveals a Massive Dark Matter Halo,The Astrophysical Journal, Volume 991, Number 1,DOI 10.3847/1538-4357/adf204
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