在一项开创性的发现中，天文学家利用詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的数据证实了之前理论中所谓的“爱因斯坦之字形”现象的存在，这一现象可能有助于解决关键的宇宙学问题。当来自遥远物体（如类星体）的光穿过两个不同的扭曲时空区域时，就会发生这种现象，导致光以之字形弯曲。这是人类首次观测和验证这种效应，为引力透镜的性质提供了新的见解，并可能为长期存在的宇宙学问题提供解决方案。这一发现可能在促进我们对宇宙及其膨胀的理解方面发挥重要作用，有助于解决哈勃张力和宇宙学中其他未解之谜。
1、爱因斯坦子字形现象证实引力透镜揭示遥远的类星体
2018年，天文学家在天空中发现了一组四个相同的亮点，距离我们数十亿光年。这些点后来被确认为一个类星体——一个由超大质量黑洞驱动的极其明亮和充满活力的星系核。最初，科学家们认为这四个光点是同一个类星体的图像，是由一种称为引力透镜的现象产生的。引力透镜现象发生在来自遥远物体的光穿过被巨大物体（如星系或星系团）的强引力场扭曲的时空区域时。
根据爱因斯坦的广义相对论，引力会弯曲时空结构，导致来自遥远物体的光在巨大透镜物体周围弯曲。这会导致同一物体形成多个图像或形成一个拉伸的光环，称为爱因斯坦环，以阿尔伯特·爱因斯坦的名字命名，他于1915年预测了这种效应。在这种情况下，四个明亮的光点最初被认为是单个类星体的镜像，围绕位于观察者（在地球上）和遥远类星体之间的巨大星系弯曲。
2、爱因斯坦之字形揭示双类星体系统
2022年，研究人员重新审视了这些数据，并有了更令人惊讶的发现。除了最初的四个亮点外，他们还发现了两个微弱的光点和一个微弱的爱因斯坦环。这些新发现表明情况比之前想象的要复杂得多。似乎不是简单地复制一个类星体的光，而是两个类星体，即双类星体系统，其中可能涉及每个类星体的光被复制了三次。这场复杂的灯光秀促使研究人员重新评估他们的假设，并促使进一步调查。
3、爱因斯坦之字形现象
这种独特的结构——来自类星体的光线在两个巨大物体周围弯曲和移动——促使研究人员创造了“爱因斯坦之字形”一词。当光线以“之字形”模式穿过两个独立的透镜物体时，就会发生这种现象。这种多级光线弯曲极为罕见，为了解引力透镜的性质以及造成时空扭曲的物体的性质提供了宝贵的见解。
人类看到的第一个爱因斯坦之字形可以帮助科学家解决宇宙学中两个最大的谜团。第一个神秘的问题是暗能量的性质，或驱动宇宙加速膨胀的力量，约占宇宙能量和物质预算的70%，第二个问题与科学家在测量宇宙膨胀速度值时发现的差异有关：哈勃常数。
发现小组成员、斯坦福大学宇宙学家马丁·米隆说：“我很兴奋，不仅因为这是一个迷人的自然现象，而且因为这个系统在测量宇宙学参数方面非常有前景。”“这个透镜系统有可能对哈勃常数和暗能量状态方程施加严格的限制，这通常是不可能的。”
结果，单个背景发光体可以出现在单个图像中的多个位置。这些物体可以形成爱因斯坦环、爱因斯坦十字架等排列，在这个目前独特的情况下，还可以形成爱因斯坦之字形。
4、如何解决哈勃张力并增强对宇宙膨胀的理解
爱因斯坦之字形的发现对宇宙学具有重要意义。该领域持续存在的挑战之一是哈勃张力——测量宇宙膨胀率的不同方法之间存在分歧。膨胀率被称为哈勃常数，既可以通过局部观测（如星系运动）来测量，也可以通过更远的观测（如宇宙微波背景）来测量。然而，这两种方法得出的结果不同，这让宇宙学家感到困惑。
爱因斯坦之字形可以帮助解决这一矛盾。通过让天文学家更精确地测量哈勃常数和暗能量（推动宇宙加速膨胀的神秘力量），新发现可以更准确地理解宇宙膨胀。来自类星体的光线穿过两个透镜物体，为同时测量同一空间区域的膨胀率和暗能量提供了机会。这是一个显著的优势，因为通常情况下，科学家只能高精度地测量其中一个值，而不能同时测量两个值。
“大多数透镜类星体都可用于此目的，但这个类星体有两个不同的透镜，这使得透镜模型受到更好的约束，哈勃常数值的不确定性也会更小，”Dux说。“这非常有趣，因为在宇宙学因我们所谓的哈勃张力而陷入潜在危机的时候。”
哈勃矛盾的根源在于，测量宇宙极早期的哈勃常数，并推断出该值在138亿年的宇宙历史中的演变（使用最佳宇宙学模型），应该会得出天文学家在观察当地宇宙时测量的相同值，从而测量当前年龄的哈勃常数。然而，这两个结果之间存在很大差异。
Dux表示：“这两种方法都可能存在测量误差，因此在宣布确定危机之前，我们需要继续寻找潜在误差并改进测量结果。”通过减少这些测量中的不确定性，爱因斯坦之字形透镜可以使哈勃常数的计算值和观测值更加接近。
“此外，这种透镜还可以同时用于约束宇宙暗能量状态方程，”Dux说。“这非常有趣，因为这个量和哈勃常数通常是退化的，这意味着我们可以将两个旋钮移到不同的方向，同时仍然很好地拟合观测数据。有了这个系统，我们也许能够打破这种退化。”
这将允许使用J1721+8842同时确定这两个值，这通常是不可能的。研究人员补充说，这是目前正在进行的事情，但在团队能够以“安全”的方式测量他们想要检查的两个值之前，还需要进行大量的理论工作和技术基础设施开发，以避免潜在的偏差和错误。
“J1721+8842还有其他应用，例如研究更遥远的透镜星系，”Dux说。“由于它既充当透镜又充当光源，呈现出扭曲的红色弧线，我们可以精确推断出它的质量。我们还从詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测中获得了美丽的光谱，可以研究这个星系的恒星形成历史及其物质的团块性。这是第一次真正有机会回答如此遥远星系的这些问题。”
尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜在发现J1721+8842作为爱因斯坦之字形现象的真正本质方面发挥了重要作用，但它可能不是寻找更多此类难以捉摸的星系的最佳工具。
“我们将继续寻找透镜类星体！我们预计通过维拉·鲁宾LSST和欧几里得任务会发现更多。我们是否能偶然发现另一个之字形将取决于运气。”
5、爱因斯坦之字形现象：未来的影响和挑战
詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测使得爱因斯坦之字形现象的发现成为可能，为以前所未有的细节探索引力透镜现象提供了独特的机会。这种罕见的现象最终可能有助于解决哈勃张力，并为推动宇宙演化的基本力量提供新的见解。