大思考：宇宙的几何悖论，为何引力透镜更爱十字而非圆环

图片来源：ESA/Hubble、NASA、Suyu 等。

当远方星系的光穿越弯曲时空到达地球时，会发生一些奇妙的现象。大质量天体就像宇宙中的透镜，把背景光源的影像扭曲成各种形状。按照爱因斯坦的理论，最理想的结果应该是形成一个完美的光环。但现实中，天文学家发现的却是另一种景象：被称为爱因斯坦十字的四重像结构比爱因斯坦环要常见得多。

这一现象背后隐藏着深刻的几何学原理。2023年发现的HerS-3系统是一个典型案例，这个异常完美的爱因斯坦十字揭示了大质量暗物质晕的存在。而在2025年初，欧几里得空间望远镜捕捉到的罕见爱因斯坦环再次提醒人们，环状结构的稀有程度远超想象。

苛刻的对称性要求

爱因斯坦环的形成需要两个几乎不可能同时满足的条件。首先，充当透镜的前景天体必须呈现完美的球对称性，或者其质量高度集中于一点，使得各个方向的引力场完全相同。其次，背景光源必须与连接观测者和透镜的视线精确对齐，偏差不能超过几分之一度。

这张哈勃图像展示了波江座的引力透镜HE0435-1223，它是迄今为止发现的最佳透镜类星体之一。与爱因斯坦环相比，背景类星体的光线更有可能沿着四条独立的光路弯曲，形成爱因斯坦十字形结构，而不是环状结构。

现实宇宙远比理想模型复杂。星系并非简单的球体，而是充满了复杂的内部结构。暗物质晕中嵌入着恒星、气体云、卫星星系和黑洞，每一个质量团块都会对引力场产生微妙影响。即使是看似光滑的椭圆星系，其质量分布也会沿着某个优先轴延伸，导致不同方向的引力透镜效应存在差异。

完美对齐的概率更是微乎其微。在浩瀚宇宙中，背景光源恰好位于连接观测者和透镜的同一视线上，这种几何巧合的发生率极低。即使偏离仅仅半度，原本应该形成的环状结构就会破碎成弧状或多个分离的像。

图片来源：欧洲航天局/哈勃望远镜和美国国家航空航天局

这个天体并非单个环状星系，而是由两个距离相距甚远的星系组成：一个是近处的红色星系，另一个是较远的蓝色星系，后者受到前景星系质量的引力透镜效应的影响。这两个天体恰好位于同一视线方向上，背景星系的光线被前景星系的引力扭曲、拉伸和放大。最终形成了一个近乎完美的环状结构，如果它形成一个完整的360度圆，则被称为爱因斯坦环。虽然引力透镜效应更常见于星系团，但如果单个星系足够紧凑且排列方向合适，它们也能产生这种效应。

当这两个条件都无法完全满足时，就会出现爱因斯坦十字。如果透镜系统的对称性被打破，比如质量分布呈椭球形，光线会沿着四条主要路径传播，形成位于透镜四个基本方向的四个像。如果对齐也不完美，这四个像就不会呈现规则的正方形排列，而是形成不对称的十字形或平行四边形。

从理论预言到观测现实

第一个被发现的爱因斯坦十字是胡赫拉透镜，也称为G2237+0305。这个系统中，一个暗淡的前景星系将背后的类星体光线分成了四个明亮的像，排列成四叶草形状。虽然这四个像指向同一个天体，但它们的亮度和位置各不相同，因为光线沿着不同路径传播时受到的引力影响略有差异。

图片来源：X射线：NASA/CXC/INAF/A. Wolter等；光学：NASA/STScI

这张X射线/光学合成图像展示了环状星系AM 0644-741及其周围区域的广角景象。在该环状星系的下方和左侧，有一个气体稀少的椭球星系，它可能在数亿年前穿过了该环状星系。随后，气体像涟漪一样从中心向外扩散，预计会形成并演化出一个由新恒星组成的环状结构。

哈勃望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜在发现引力透镜系统方面做出了卓越贡献。2012年发现的UZC J224030.2+032131，2017年发现的HE0435-1223，都是近乎完美的爱因斯坦十字案例。2020年启动的专门观测计划一次性发现了八个新的爱因斯坦十字，利用这些系统对前景透镜内的暗物质亚结构进行了前所未有的精确测量。

盖亚卫星的大面积巡天在2021年又带来了十几个新发现。这些爱因斯坦十字在形态上千差万别，有些接近完美的正方形排列，表明光源、透镜和观测者对齐良好但透镜非球形；有些则呈现极度不对称的形状，暗示对齐状况很差。每一个案例都为理解引力透镜的复杂性提供了独特视角。

图片来源：P. van Dokkum 等人，《自然·天文学》已接收，2023 年

这张以迄今为止发现的最遥远的引力透镜为中心的广角图像，展示了COSMOS-Web观测场的更大区域。爱因斯坦环清晰地证明了引力透镜的存在。虽然前景天体距离地球相当遥远，约为170亿光年，但被透镜效应拉伸成环状的背景天体则更加遥远：距离地球约210亿光年。

相比之下，真正的爱因斯坦环少之又少。SDSS J0946+1006是哈勃望远镜在2008年拍摄到的第一个双爱因斯坦环，两个处于不同距离的背景天体都被同一个前景星系弯曲成近乎完整的环状。詹姆斯·韦伯太空望远镜在2023年发现的一个案例中，距离地球仅30亿光年的前景星系将120亿光年外富含有机分子的背景星系拉伸成环状，这是迄今探测到的最遥远的复杂碳质分子。

更复杂的透镜世界

引力透镜的配置远比十字和环状更加多样。如果透镜结构极其复杂，背景天体可能出现五次、六次甚至更多次。第一个被发现的引力透镜只是一个双像类星体，也被称为孪生类星体。目前同一天体出现六个像的案例保持着最高纪录，但理论上更复杂的透镜系统可以产生更多像。

图片来源：ESA/哈勃望远镜和NASA（上图）；J. Spilker/S. Doyle，NASA，ESA，CSA（下图）

这张合成图像显示了哈勃望远镜观测到的第一个双爱因斯坦环，其中两个近乎完美的背景源位于不同的距离，各自构成了一个近乎完整的爱因斯坦环；而在底部，由于詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 偶然发现的位于 30 亿光年外的前景透镜的对准，使得探测到 120 亿光年外富含碳的有机尘埃成为可能。

当几何条件不够理想时，可能只会形成三个像、两个像，甚至只有一个被扭曲和放大的像，而没有多重成像效应。这些变化都源于透镜质量分布的细节和三者对齐的精确程度。每个引力透镜系统都像是宇宙赠予的独特实验室，帮助科学家探测暗物质、测量宇宙膨胀速度、研究早期宇宙的性质。

爱因斯坦十字之所以比爱因斯坦环更常见，根本原因在于宇宙的真实结构不符合完美对称的理想模型。质量分布的非球形性和对齐的不完美性，共同塑造了我们今天观测到的引力透镜景观。这不是物理学理论的缺陷，而是宇宙几何构型的必然结果。