Knud Jahnke / 2025-02-10

引力透镜在天空中非常罕见 —— 星系弯曲来自其后方其他星系的光线路径，形成扭曲甚至多重图像。更为罕见的是两个星系与我们观测者完美对齐，光线弯曲成所谓的爱因斯坦环(Einstein Ring)。而现在，Euclid 观测到了最罕见的情况：这种情况发生在极近的 NGC 星系中。

引力透镜是质量弯曲空间，光线沿着这种弯曲空间传播的效应。如果质量足够大，比如一个星系，那么会导致位于星系后面的物体的图像发生扭曲，甚至分裂成多个图像：这就是强引力透镜。如果发生非常罕见的情况 —— 源、星系和观测者完美地排列在一条直线上 —— 图像就会弯曲成一个环。以前也曾发现过这些所谓的爱因斯坦环(Einstein Ring)，但在所有配置中，目前已知的天空中只有大约 1000 个引力星系-星系透镜。

爱因斯坦环(Einstein Ring)图像形成的原理。来源：ESA

早在 1700 年代后期，就有人在牛顿引力的情况下讨论过强引力透镜现象。但只有阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)能够在 1915 年使用他的广义相对论计算出正确的光线弯曲角度。此后，对日食期间太阳质量的透镜效应进行正确测量的考察队，实际上根据透镜效应证实了广义相对论。这是针对太阳而言的。

回到质量更大的星系，直到 1937 年，弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)利用了星系是像我们银河系一样遥远的恒星集合体的新知识，才意识到它们可以充当透镜并对背景中的源进行成像。在 1960 年代，人们意识到类星体，即星系非常明亮、点状的活跃中心，将成为透镜的完美光源。因此，直到 1979 年，才发现了第一个“双生”类星体，并被确定为同一背景源的两个图像 —— 这是观测到的第一个引力透镜。

为了更深入地探讨，对于我们观测者来说，星系 —— 或星系团 —— 充当引力透镜的几率在与我们相隔一定中间距离时最高，并且源星系要远得多。因此，大多数引力透镜星系距离我们数十亿光年。因此，透镜星系离我们很近的情况极其罕见。一个星系必须非常巨大，才能产生足够的影响来创建多个透镜图像，因此，在我们称之为“我们附近”的 7 亿光年距离内，只有 2400 个星系足够巨大。然后，考虑到可用源的背景分布，在这些附近的星系中，只有 1/2000 的统计几率可以实际创建一个明亮的透镜系统，而透镜源越暗淡，几率就越高。

Euclid 拍摄的完整 NGC 6505 彩色图像，使用来自 Euclid 的 VIS 高分辨率成像仪（结构）和 NISP 近红外仪器（颜色）的数据合成。爱因斯坦环(Einstein Ring)在星系的正中心可见。来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：J.-C. Cuillandre, T. Li (点击放大)

因此，当 ESA 和 Euclid Consortium 的科学家查看第一批科学数据时，他们发现第一个引力透镜并不令人意外 —— 总体而言，Euclid 预计会使已知透镜的数量增加 100 倍，并在其 6 年的任务中发现 100,000 个。然而，令人震惊的是，第一个透镜非常近，实际上位于 NGC 星系中 —— 来自附近星系的新通用目录 —— 并且它显示了源星系的完美爱因斯坦环(Einstein Ring)。透镜星系是 NGC 6505，位于红移 z=0.042 处，对应于仅 5.9 亿光年的距离。到目前为止，只知道五个类似附近的引力透镜，但没有一个位于如此突出的星系中。自从 1884 年以来，人们就已经知道 NGC 6505，但到目前为止，没有人能够拍摄到像 Euclid 这样清晰的图像。在夏威夷的 Keck 望远镜及其 KCWI 积分场摄谱仪进行的后续光谱分析表明，源星系位于红移 z=0.406 处，距离我们约 45 亿光年。

虽然 NGC 6505 本身的图像已经令人惊叹，周围还有许多其他星系，背景中还有数千个，但令人惊讶的是第一次观察其中心：那是一个环吗？为什么它看起来如此奇特？实际上，星系在其中心附近可能具有由气体和恒星运动形成的恒星环 —— 但通常仅适用于旋转的螺旋星系，当距离中心一定距离时，没有净力可以将物质进一步移入或移出。但这对于像 NGC 6505 这样的椭球星系来说是不应该发生的。通过对右侧的特殊结构进行分析，可以很快确定这是强引力透镜的情况，并且该环实际上不是 NGC 6505 的一部分，而是背景星系的扭曲图像。更仔细的检查和建模提取了一个几乎好得令人难以置信的爱因斯坦环(Einstein Ring)。

由 Euclid 的 VIS 仪器拍摄的背景星系的透镜图像，位于 NGC 6505 的正中心。为了清晰起见，NGC 6505 光的背景已被抑制。该环由背景源星系的拉伸图像组成。明亮中心是 NGC 6505 本身的中心。来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：J.-C. Cuillandre, T. Li

但这是可以理解的：以前从未在 NGC 星系中发现爱因斯坦环(Einstein Ring)，也从未有如此精致的望远镜如此长时间地观察过该星系。Euclid 在 2023 年底的初始“性能验证”阶段访问了 NGC 6505 及其周围区域。Euclid 多次观测该区域，VIS 的总积分时间超过 11 小时，NISP 的总积分时间接近 2 小时，大约是 Euclid 正在进行的广域巡天中大多数场地的 50 倍。因此，该图像和整个场具有非凡的信号、低噪声，这使得能够对透镜系统进行前所未有的建模。

科学分析能够提取有关 NGC 6505 中心暗物质数量的信息（占中心总质量的 11.1%），并对中心区域的低质量和高质量恒星的组成做出非常精确的陈述。模拟显示，在此距离处发现 NGC 6505 中所看到的亮度的透镜的几率为 1/2000 —— 并且预计在未来几年内，Euclid 的广域巡天中仍会发现 4 到 20 个更近的透镜。然而，NGC 6505 中的该透镜确实存在并被 Euclid 观测到并如此迅速地被识别出来，这纯粹是巧合 —— 并且要注意数据。

更多更远距离的透镜目前正在搜索中，Euclid 的 Q1 数据发布的初步结果将于 2025 年 3 月 19 日公布。

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关于作者

Knud Jahnke

自 2011 年以来，来自德国海德堡马克斯普朗克天文研究所(Max Planck Institute for Astronomy)的 Euclid 的 NISP 测光通道的仪器科学家。作为 EC-EPO 集团的一部分，担任 Euclid Consortium Blog 作者和网站内容管理员。喜欢星系和黑洞。