通過“旋轉透鏡”放大深度宇宙

在一次罕見而非凡的發現中，研究人員識別出一種獨特的星系配置，形成了迄今為止最精細對齊的引力透鏡。旋轉透鏡（Carousel Lens）是一個大規模星團級引力透鏡系統，將使研究人員能夠更深入探索宇宙的奧秘，包括暗物質和暗能量。

“這是一個令人驚訝的幸運‘星系排列’——多個星系在視線上偶然對齊，跨度涵蓋了大部分可觀測的宇宙，”該研究的合著者、伯克利實驗室物理部的資深科學家大衛·施萊格爾（David Schlegel）表示。“找到這樣的對齊就像在大海捞针，而找到所有這些則就像在那堆干草中精確排列了八根針。”

旋轉透鏡的對齊由一個前景星系團（“透鏡”）和七個背景星系組成，這些星系橫跨了巨大的宇宙距離，並通過引力扭曲的時空得到觀察。在下面的戲劇性圖像中：

• 這個距離地球有50億光年的透鏡星團顯示出其四個最明亮、最巨大的星系（分別標記為La、Lb、Lc和Ld），這些構成了圖像的前景。

• 七個獨特的星系（編號1至7）通過透鏡出現，這些星系位於更遠的地方，距離地球從76億到120億光年，接近可觀測宇宙的極限。

• 每個星系的重複出現（用每個編號的字母索引標記，例如a至d）顯示出形狀的差異，這些差異因透鏡周圍的扭曲時空而彎曲和延伸形成了多個“趣味廳鏡子”的變體。

• 特別值得注意的是，發現了愛因斯坦十字（Einstein Cross）——迄今為止已知最大的十字，顯示在星系編號4的多次出現中（標記為4a、4b、4c和4d）。這種多重影像圍繞透鏡中心的罕見配置顯示了透鏡質量的對稱分佈（主要由不可見的暗物質主導），並在透鏡建模過程中發揮著關鍵作用。

來自遙遠太空的光線在通過近距離星系或星系團的引力扭曲時空時，可以被放大和彎曲。在罕見的情況下，物體的配置幾乎完美對齊，形成強引力透鏡。研究團隊利用來自暗能量光譜儀（DESI）遺產成像調查的豐富新數據、NASA哈勃太空望遠鏡的近期觀測以及國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Perlmutter超級計算機，基於他們早期的研究（2020年5月和2021年2月），識別出可能的強透鏡候選者，為當前的發現鋪平道路。

“我們的團隊一直在尋找強透鏡並建模最有價值的系統，”該研究的聯合作者、伯克利實驗室超新星宇宙學項目的成員以及舊金山大學的物理和天文學教授夏生·黃（Xiaosheng Huang）解釋說。“旋轉透鏡是一個令人難以置信的排列，包含七個星系，這些星系成為五個小組幾乎完美地排成了前景星系團透鏡的後面。在透鏡中出現時，每個背景星系的多重影像形成了圓形的同心圖案，像旋轉木馬一樣。這是一項前所未有的發現，生成的計算模型顯示出高度有前景的潛力，可以測量宇宙的特性，包括暗物質和暗能量的特性。”

這項研究還涉及了幾位伯克利實驗室的學生研究人員，包括首席作者威廉·許（William Sheu），他在這項研究開始時是一名DESI的本科生實習生，現在是加州大學洛杉磯分校（UCLA）的博士生以及DESI的合作者。

旋轉透鏡將使研究人員能夠基於觀測數據的強度和計算模型，以全新的方式研究暗能量和暗物質。

“這是一個極其不尋常的排列，這本身將為宇宙學研究提供一個實驗平台，”伯克利實驗室物理部主任娜塔莉·帕蘭克-德拉布魯伊（Nathalie Palanque-Delabrouille）觀察道。“它還展示了DESI的成像如何可以用於其他科學應用，”例如調查暗物質的謎題和宇宙加速膨脹的原因，這一膨脹是由暗能量驅動的。

---

洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。