James Webb的重力透鏡

今天, NASA發表James Webb太空望遠鏡首批彩色科學影像,其清晰程度令人驚嘆。

事實上,由於James Webb太空望遠鏡主要觀測波段是人類肉眼看不到的紅外光,因此這批「彩色」影像中的顏色,很多都是天文學家依據不同需要(例如顯示各種份子分佈)而加上去的。更準確來說,這是James Webb太空望遠鏡的首批「多波長紅外光」影像。

關於這批影像的報道已經有很多,我就不再重複。而且我也不是紅外光天文學的專家,就留待其他紅外光天文研究的專家學者詳細解釋。不過我剛剛收到一位朋友的問題,為什麼這幅影像上有些「扭曲」的地方呢?因此我就在這簡單講述一下。

如果各位細心觀看,就會看到環繞影像中間部份的許多星系的形狀,好像被「拉長」或「扭曲」似的。事實上,這就是所謂的「重力透鏡」(gravitational lensing)效應,這些環狀的「扭曲」結構,被稱為「愛因斯坦環」(Einstein ring)。

重力透鏡效應是愛因斯坦廣義相對論的一個直接結果。廣義相對論是牛頓重力定律(重力亦稱萬有引力)的修正版本,與牛頓理論的最大分別,就是時間和空間在相對論中融為一體,變成「時空」。愛因斯坦認為,我們可以不把「重力」(gravitational force)想像成普通的一種「力」。在相對論中,「重力」(gravity)其實是時空被物質和能量所扭曲的結果。

有趣的是,由於重力是時空扭曲的結果,因此就連零質量的光線亦會被重力所扭曲。因此,當光線經過質量巨大的物質團(例如黑洞或者星系)附近之時,光線的軌跡就會如同通過凸透鏡時被聚焦似的。雖然愛因斯坦環的物理/數學解釋與凸透鏡並不完全相同,但我們仍暫且可以用凸透鏡來想像它。

事實上,透過哈勃太空望遠鏡,天文學家早已看見許多重力透鏡效應的影像。重力透鏡確認了愛因斯坦的廣義相對論是現時為止最為正確的重力理論。而新一代的James Webb太空望遠鏡的影像解析度更高,因此能夠為天文學家提供許多前所未見的細節。能夠把更遠的星系看得更仔細的能力,將有助科學家研究宇宙早期星系演化。

James Webb太空望遠鏡的主要觀測波段之所以是紅外光,是因為隨着宇宙加速膨脹,越遠古發出來的光線會被拉得越長。因此,波長比可見光更長的紅外光,就是研究宇宙早期演化的理想波段。

哈勃太空望遠鏡快將退役,而James Webb太空望遠鏡的任務剛剛才開始。就讓我們拭目以待,一邊欣賞宇宙、一邊理解時空。

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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