“在JWST之前,我们不可能在早期宇宙中进行这种水平的科学研究。”天文学家的这句感叹,指向了一个让研究者感到困惑的发现。
借助詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),天文学家在“宇宙正午”时期观测到一个质量巨大且高度致密的星系团。这个编号为XLSSC 122的星系团首次发现于2014年,但在JWST数据中立刻吸引了研究团队的注意——它过于庞大、过于集中,形态上更接近那些距离银河系近得多的星系团。然而,我们看到的是它大约104亿年前的样子,也就是大爆炸后仅34亿年左右。按照现有理论,这种结构的星系团在那个时期才刚开始组装。
加州理工学院的研究团队领导人凯尔·芬纳在一份声明中描述了首次收到JWST图像时的反应:“当我们从JWST拿回那些首批图像时,我们说,‘哇,快看这个,这个星系团产生了强烈的引力透镜效应!’”XLSSC 122由此创下了一项纪录:它成为显示强引力透镜效应的最遥远星系团。
引力透镜效应这一概念,最早由阿尔伯特·爱因斯坦在1915年发表的广义相对论中预言。广义相对论指出,具有质量的物体会使时空结构发生弯曲。可以想象在拉紧的橡胶膜上放一个保龄球,膜面会凹陷——引力就源于这种弯曲。物体的质量越大,时空弯曲就越极端,引力影响也越强。
这种弯曲还有一个附带效果。光通常沿直线传播,但时空本身就是它运行的轨道。如果时空弯曲了,光的路径也会随之弯曲。光经过大质量物体附近越近,偏折就越明显。这意味着,当像XLSSC 122这样的大质量天体处于地球和一个更遥远光源之间时,背景光源发出的光会根据围绕中间天体所走路径的不同,在不同时间到达我们的望远镜。这种效应放大了背景光源的光,JWST团队正是利用这一点,在研究古老星系方面取得了显著效果。
哈勃空间望远镜此前也曾研究过XLSSC 122,但未能捕捉到显示它是一个强引力透镜的图像;确认这一点需要JWST那极强的观测能力。这个早期星系团的强透镜效应,还可能有助于解开暗物质之谜。暗物质之所以难以直接观测,恰恰因为它不与光发生作用——
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