□ 文 何銳思（R ichard de Grijs） / 翻譯 程思浩

超新星和引力透鏡：天作之合

□ 文 何銳思（R ichard de Grijs） / 翻譯 程思浩

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的這幅圖中出現(xiàn)了五個(gè)類似恒星的像，其實(shí)它們都來自于一個(gè)遙遠(yuǎn)的類星體。圖片來源：NASA

視 點(diǎn)天文

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

2016年5月的最后一個(gè)星期，我在北京的國際空間科學(xué)研究所組織了一次國際會(huì)議。會(huì)議主要是希望增進(jìn)我們對(duì)各種最前沿的天文測距方法的理解。天文學(xué)家在日常的工作中就是用它們來測量宇宙中各種天體的距離的。我在這精彩的一周結(jié)束后，不禁回想著會(huì)議中來自世界各地的45位科學(xué)家們一系列精彩報(bào)告，還有無數(shù)非常深入的討論（全都是在相互支持，非常友好的氛圍中進(jìn)行的），我感到非常滿足。我敢說，這算得上是我負(fù)責(zé)的會(huì)議中最成功、最讓人愉快的會(huì)議之一了。我還見到了很多昔日老友，也認(rèn)識(shí)了很多新的朋友。

相當(dāng)一部分報(bào)告是關(guān)于近期的新發(fā)現(xiàn)的，這讓我感覺我們仿佛已經(jīng)站在一個(gè)天文測距新紀(jì)元的起點(diǎn)，一個(gè)能更準(zhǔn)確測距的紀(jì)元。報(bào)告中最讓我印象深刻的是蘇游瑄和她的團(tuán)隊(duì)用所謂引力透鏡（大質(zhì)量天體能夠彎曲光線，后文有詳細(xì)介紹）來測量距離的工作。蘇游瑄是我的同事也是好朋友，同時(shí)受聘于臺(tái)灣“中研院”天文和天體物理研究所以及德國的馬普天體物理研究所。她非常偶然地發(fā)現(xiàn)了一顆超新星（大質(zhì)量恒星生命終結(jié)時(shí)的劇烈爆炸）正好被前面的引力透鏡聚焦為多個(gè)像。她們不僅能測出這個(gè)系統(tǒng)的距離，還能預(yù)言新的像將在什么時(shí)候出現(xiàn)。結(jié)果是她們的計(jì)算完全正確！這是測距方法上的一個(gè)大突破，同時(shí)也再次證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論（當(dāng)然去年年底和今年探測到的引力波信號(hào)已經(jīng)一勞永逸地證明了它）。太震撼了！我簡直沒法用語言來形容我的感受。

讓我來仔細(xì)地講講為什么我會(huì)感到如此震撼。超新星是研究宇宙歷史時(shí)天文學(xué)家手里最重要的工具之一。它出現(xiàn)的頻率讓我們可以一窺星系中恒星形成的活躍度，還能展現(xiàn)重元素的產(chǎn)生情況以及用來計(jì)算星系的距離。盡管這些巨大的爆炸非常非常亮，也總有一個(gè)距離的極限，再遠(yuǎn)的超新星用我們這一代的望遠(yuǎn)鏡就看不到了。不過，引力透鏡效應(yīng)能讓這個(gè)極限變得更遠(yuǎn)些。過去幾十年里，天文學(xué)家意識(shí)到天空中其實(shí)充滿了很多引力透鏡，能夠讓原本通過最大的望遠(yuǎn)鏡也很難看到的遙遠(yuǎn)、暗淡的天體變得可見。

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言在宇宙中質(zhì)量的聚集會(huì)彎曲時(shí)空，能像透鏡一樣讓光線彎曲并聚焦，從而增強(qiáng)它后方的天體的亮度。這個(gè)想法最早在1924年被提出來。1937年美籍瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）認(rèn)為星系可以作為引力透鏡。這個(gè)效應(yīng)直到1979年才被觀測到，那時(shí)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類星體（遙遠(yuǎn)的活躍星系的核）在它前面的星系團(tuán)的引力作用下成了兩個(gè)像。

由于前方的一個(gè)星系和星系團(tuán)的引力，遠(yuǎn)處的超新星發(fā)出的光線被偏轉(zhuǎn)。這就像是在前方放置了放大鏡一樣，遠(yuǎn)處超新星的光線得以增強(qiáng)。這種特別的現(xiàn)象就叫作引力透鏡效應(yīng)，它就像大自然為我們準(zhǔn)備了一臺(tái)大望遠(yuǎn)鏡，把后方超新星的光線變亮了20倍。圖片來源：NASA/ESA/GLASS/深空超新星（FrontierSN）團(tuán)隊(duì)

如今，引力透鏡讓人們可以一窺138億年前的大爆炸之后不久形成的那些極遠(yuǎn)極暗的天體。但是尋找宇宙早期的超新星時(shí)，天文學(xué)家沒法使用和搜索其他超新星一樣的辦法。一般的超新星巡天主要是在可見光波段進(jìn)行的，但是宇宙早期的超新星發(fā)出的光已經(jīng)由于宇宙的膨脹轉(zhuǎn)移到了近紅外波段。已有的超新星巡天項(xiàng)目幾乎沒有在這個(gè)波段工作的。

不過，有一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）來尋找被大質(zhì)量星系團(tuán)Abell 1689的引力所成像的超新星。這個(gè)團(tuán)隊(duì)由瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的拉曼·阿瑪努拉（Rahman Amanullah）領(lǐng)導(dǎo)。Abell 1689星系團(tuán)是非常著名的引力透鏡之一，在它的聚焦下我們看到了很多大爆炸后不久形成的最早的星系。

在2009年，該團(tuán)隊(duì)在這個(gè)被引力透鏡放大的區(qū)域里發(fā)現(xiàn)了一顆位于50-60億光年遠(yuǎn)的超新星，之后又發(fā)現(xiàn)了一顆更遠(yuǎn)的，大概有100億光年遠(yuǎn)，其亮度被增強(qiáng)了約4倍。根據(jù)其光譜的特征，研究者們推斷這是大質(zhì)量恒星塌縮后爆炸所形成的超新星。它可算是人們找到的最遠(yuǎn)的超新星之一了。

星系團(tuán)Abell 1689

最近，在查看哈勃太空望遠(yuǎn)鏡2014年11月10日拍攝的紅外照片時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校的天文學(xué)家帕特里克·凱利（Patrick Kelly）發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)引力透鏡超新星。這回的透鏡天體是位于星系團(tuán)中的一個(gè)大質(zhì)量星系，它和整個(gè)星系團(tuán)都可以充當(dāng)引力透鏡天體。超新星在這個(gè)星系的引力下被一分為四。

凱利說：“這些引力透鏡天體就像天然的放大鏡。我們就像擁有了更大的望遠(yuǎn)鏡一樣。這些星系團(tuán)有時(shí)能夠把后面的天體放大、增亮100倍?！?/p>

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍的這張照片是太空棱柵引力透鏡巡天（Grism Lens-Amplified Survey from Space，GLASS）的成果之一，這個(gè)項(xiàng)目拍攝大質(zhì)量星系團(tuán)附近星系的近紅外光譜，用以研究位于星系團(tuán)后方的、被星系團(tuán)引力透鏡所放大的宇宙早期星系，以及星系團(tuán)內(nèi)部不同位置星系的性質(zhì)。

這次事件是人們第一次看到被引力透鏡多次成像的超新星。凱利和他的合作者給它起名字叫雷夫斯達(dá)爾超新星，以此紀(jì)念引力透鏡研究的先驅(qū)者，已故挪威天體物理學(xué)家舒爾·雷夫斯達(dá)爾（Sjur Refsdal）。這顆遠(yuǎn)在93億光年外的超新星幾乎已經(jīng)達(dá)到了我們能觀測的宇宙的邊緣；作為引力透鏡的那個(gè)星系則距地球大概有50億光年遠(yuǎn)。

凱利說：“原則上說，我們應(yīng)該看到這顆超新星四次。通過測量這4個(gè)像之間的時(shí)間延遲，應(yīng)該能算出這顆超新星的一些信息，它的前身星是什么，還有一些引力透鏡天體的性質(zhì)。并且，這些計(jì)算都是很干凈利落的?！?/p>

當(dāng)背景天體發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)大質(zhì)量天體，比如說星系或者星系團(tuán)附近時(shí)，光線就會(huì)彎曲。當(dāng)光的路徑離這個(gè)引力透鏡比較遠(yuǎn)，或者引力透鏡的質(zhì)量并不很大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“微引力透鏡”效應(yīng)：這時(shí)我們看到背景天體的形狀被微微扭曲了。當(dāng)背景天體幾乎在引力透鏡的正后面時(shí)，“強(qiáng)引力透鏡”效應(yīng)會(huì)把面光源（比如星系）變成一個(gè)繞著引力透鏡天體的一個(gè)圓環(huán)：“愛因斯坦環(huán)”。對(duì)于點(diǎn)光源，“強(qiáng)引力透鏡”效應(yīng)則會(huì)使其分裂為分布在透鏡天體周圍的多個(gè)像，成為“愛因斯坦十字架”。

這組圖片展現(xiàn)了對(duì)雷夫斯達(dá)爾超新星的跟蹤觀測。左圖是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的深視野項(xiàng)目（Frontier Fields programme）拍攝的星系團(tuán)MACS J 1149.5+2223的圖像。圓圈畫出的是預(yù)言中超新星將出現(xiàn)的位置。在圖片的右下方能清晰地看到2014年底出現(xiàn)的愛因斯坦十字。右上圖是哈勃望遠(yuǎn)鏡在2015年10月底拍攝的照片，此時(shí)跟蹤觀測計(jì)劃剛剛開始。右下圖是2015年12月11日拍到的再次出現(xiàn)的雷夫斯達(dá)爾超新星，和理論預(yù)言完全相符。

星系團(tuán)MACS J 1149.5+2223所在的區(qū)域。圖中標(biāo)示為1.1，1.2和1.3的是雷夫斯達(dá)爾超新星所在星系的三個(gè)像。這顆超新星在像1.1中出現(xiàn)在東南方的旋臂上，并且被前面的紅色星系一分為四，形成愛因斯坦十字。右邊的三張圖就是圖中方框內(nèi)的區(qū)域（比例相同），展示了如何使用不同時(shí)間拍攝的照片來減少衍射星芒的影響。把其他時(shí)間拍的圖片都以恒星為中心對(duì)齊（右上）；然后將其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度（右中）；用原圖減去這些旋轉(zhuǎn)過的圖像，就可以消除大部分星芒的影響（右下）。圖片來源：Steven A. Rodney et al., 2015

“這真是個(gè)大發(fā)現(xiàn)！”加州大學(xué)伯克利分校的天文學(xué)教授阿列克謝·菲利潘科（Alex Filippenko）說道。菲利潘科也是凱利團(tuán)隊(duì)的一員。“我們?yōu)榱藢ふ覐?qiáng)引力透鏡下的超新星已經(jīng)花了50年?，F(xiàn)在終于有了一顆！除了看上去很炫酷，這個(gè)系統(tǒng)還能告訴我們有用的天體物理信息。以前我們見到過很多遙遠(yuǎn)的類星體呈現(xiàn)出愛因斯坦十字架的形狀，但看到這樣的超新星還是第一次。超新星持續(xù)的時(shí)間非常短暫。凱利對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的圖像做了無比細(xì)致的檢查，并且注意到了這個(gè)特殊的形狀，這才發(fā)現(xiàn)了這顆難得的超新星。好運(yùn)總會(huì)降臨在有準(zhǔn)備的人身上?！?/p>

把超新星的光聚焦成愛因斯坦十字架的這個(gè)透鏡星系本身是大星系團(tuán)MACS J1149.5+2223的一個(gè)成員。人們?cè)谑昵熬桶l(fā)現(xiàn)了這個(gè)星系團(tuán)。

在2009年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系團(tuán)將其后的一個(gè)旋渦星系聚焦為幾個(gè)像，其中包括一個(gè)我們所知的最大的引力透鏡成像。雷夫斯達(dá)爾超新星就在這個(gè)旋渦星系的一條旋臂上，因此也應(yīng)該出現(xiàn)在這若干個(gè)旋渦星系的像當(dāng)中。另外，星系團(tuán)中一個(gè)紅色橢圓星系的引力還為這顆超新星聚焦了額外四個(gè)像。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片。圖中為數(shù)眾多的紅色星系都是星系團(tuán)MACS J 1149.5+2223的成員，它們嚴(yán)重地彎曲（并且增強(qiáng)）了后方的星系發(fā)出的光線。其中的一個(gè)星系（圖中的方框內(nèi)）把背景星系旋臂上出現(xiàn)的超新星一分為四（放大圖中的箭頭所指），它們形成了一個(gè)愛因斯坦十字。圖片版權(quán)為NASA太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心和ESA的Z. Levay所有。加州大學(xué)伯克利分校的帕特里克·凱利和阿列克謝·菲利潘科參與發(fā)現(xiàn)和分析了這顆超新星。

“我們有一個(gè)紅色的星系作為強(qiáng)引力透鏡，而它本身又位于星系團(tuán)中，這增強(qiáng)了它的放大能力。于是我們擁有了一個(gè)雙引力透鏡體系?！眲P利這樣解釋道。

在凱利發(fā)現(xiàn)這顆非常遙遠(yuǎn)的超新星后，他和他的團(tuán)隊(duì)檢查了哈勃望遠(yuǎn)鏡更早些時(shí)候拍攝的照片，發(fā)現(xiàn)早在11月3日的圖像上就能找到它，只是那時(shí)它還非常暗淡。這期間，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還用寬視野紅外相機(jī)（WFC3/IR）拍攝了幾十張包含這顆超新星的照片。

“非常幸運(yùn)的是，每隔兩三天就能找到一張它的照片，從而能夠非常仔細(xì)地研究引力透鏡所成的這四個(gè)像?！眲P利說。

“光走的路徑越長，或者光經(jīng)過的引力場越強(qiáng)，這些像出現(xiàn)的時(shí)間差別就會(huì)越大?！狈评丝平忉屨f。

凱利希望通過測量四個(gè)像之間的時(shí)間延遲來給出對(duì)透鏡天體質(zhì)量分布、宇宙膨脹規(guī)律和宇宙幾何形狀的限制。他最終確實(shí)做到了。

“這顆超新星的特別之處在于，它所屬的星系本身也被引力透鏡成像了。并且我們?cè)缇椭肋@些像的位置。我們至少發(fā)現(xiàn)了那個(gè)旋渦星系的三個(gè)像，分布在星系團(tuán)的周圍?！蹦峡_萊納大學(xué)的合作者史蒂夫·羅德尼（Steve Rodney）解釋說。

這是一種很難得的機(jī)會(huì)。由于星系團(tuán)中的物質(zhì)（包括暗物質(zhì)和可見物質(zhì)）分布并不均勻，其引力聚焦出的若干個(gè)像的光路和光程也都不同。因此，走不同路徑的光到達(dá)地球的時(shí)間也是不同的。

利用這個(gè)星系團(tuán)對(duì)其他星系所成的引力透鏡像以及2014年發(fā)現(xiàn)的愛因斯坦環(huán)，天文學(xué)家能夠準(zhǔn)確地預(yù)言這顆超新星在旋渦星系不同的像中出現(xiàn)的時(shí)間。計(jì)算結(jié)果顯示，這顆超新星應(yīng)該在1998年就在第三個(gè)像中出現(xiàn)過（盡管那時(shí)沒有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡看到了這個(gè)現(xiàn)象）。這種計(jì)算需要非常復(fù)雜的建模技巧。

“我們用了七個(gè)不同的星系團(tuán)模型來計(jì)算這顆超新星將在何時(shí)何處出現(xiàn)。我們要綜合所有來自哈勃望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡的多單元光譜儀（MUSE）以及凱克天文臺(tái)的數(shù)據(jù)來建立這個(gè)星系團(tuán)的模型。這真是個(gè)大工程?！眮碜悦绹又荽髮W(xué)洛杉磯分校的托馬索·特雷烏（Tommaso Treu）如是說?！白罱K，對(duì)于這顆超新星將在何時(shí)出現(xiàn)在不同的像中這一問題，七個(gè)模型幾乎給出了完全一樣的預(yù)言?！?/p>

從2015年10月底開始，哈勃望遠(yuǎn)鏡就定期地指向星系團(tuán)M A C S J1149.5+2223，以期觀測到這顆將“再次出現(xiàn)”的超新星，從而證實(shí)理論的預(yù)言。終于，雷夫斯達(dá)爾超新星在12月11日再次現(xiàn)身；盡管在預(yù)期之內(nèi)，卻又無比令人激動(dòng)。具體的出現(xiàn)時(shí)間還有約一個(gè)月的不確定性，這來源于哈勃望遠(yuǎn)鏡兩次觀測間的間隔。

在放大圖中能夠清晰地看到四個(gè)亮點(diǎn)，它們就是2014年11月11日發(fā)現(xiàn)的超新星。藍(lán)色的圓圈畫出了星系團(tuán)為超新星所在的旋渦星系所成的另外一個(gè)像，20年前這里應(yīng)該出現(xiàn)過一個(gè)亮點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算，在紅色的圓圈內(nèi)應(yīng)該能再次看到這顆超新星。這給了天文學(xué)家一個(gè)難得的機(jī)會(huì)“重放”這顆超新星爆發(fā)的全過程，同時(shí)也讓人們對(duì)宇宙中暗物質(zhì)的總量和分布（無論是方框中心那個(gè)橢圓星系內(nèi)的還是整個(gè)星系團(tuán)內(nèi)的）有更好的認(rèn)識(shí)。

凱利對(duì)此評(píng)價(jià)說：“這次，哈勃望遠(yuǎn)鏡極好地展示了現(xiàn)代科學(xué)方法。通過觀測檢驗(yàn)理論的預(yù)言，這是能幫助我們了解宇宙的一個(gè)強(qiáng)有力的辦法?！?/p>

“多次現(xiàn)身”的雷夫斯達(dá)爾超新星給天文學(xué)家提供了絕佳的機(jī)會(huì)來檢查他們對(duì)星系團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的分布，尤其是那神秘的暗物質(zhì)的分布所做的模型是否正確。很多天文學(xué)家都十分關(guān)注正在進(jìn)行中的哈勃深視野（Hubble Frontier Fields）項(xiàng)目，期待著它給我們帶來的下一個(gè)驚喜。