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

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)了五個類似恒星的像，其實(shí)它們都來自于一個遙遠(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議。會議主要是希望增進(jìn)我們對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，不禁回想著會議中來自世界各地的45位科學(xué)家們一系列精彩報告，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)的會議中最成功、最讓人愉快的會議之一了。我還見到了很多昔日老友，也認(rèn)識了很多新的朋友。

相當(dāng)一部分報告是關(guān)于近期的新發(fā)現(xiàn)的，這讓我感覺我們仿佛已經(jīng)站在一個天文測距新紀(jì)元的起點(diǎn)，一個能更準(zhǔn)確測距的紀(jì)元。報告中最讓我印象深刻的是蘇游瑄和她的團(tuán)隊用所謂引力透鏡（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，同時受聘于臺灣“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)時的劇烈爆炸）正好被前面的引力透鏡聚焦為多個像。她們不僅能測出這個系統(tǒng)的距離，還能預(yù)言新的像將在什么時候出現(xiàn)。結(jié)果是她們的計算完全正確！這是測距方法上的一個大突破，同時也再次證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論（當(dāng)然去年年底和今年探測到的引力波信號已經(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)地講講為什么我會感到如此震撼。超新星是研究宇宙歷史時天文學(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)能讓這個極限變得更遠(yuǎn)些。過去幾十年里，天文學(xué)家意識到天空中其實(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論預(yù)言在宇宙中質(zhì)量的聚集會彎曲時空，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。這個效應(yīng)直到1979年才被觀測到，那時天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個類星體（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像。

由于前方的一個星系和星系團(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

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，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)目幾乎沒有在這個波段工作的。

不過，有一個團(tuán)隊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。這個團(tuán)隊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)隊在這個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，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)中的一個大質(zhì)量星系，它和整個星系團(tuán)都可以充當(dāng)引力透鏡天體。超新星在這個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個像之間的時間延遲，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)過一個大質(zhì)量天體，比如說星系或者星系團(tuán)附近時，光線就會彎曲。當(dāng)光的路徑離這個引力透鏡比較遠(yuǎn)，或者引力透鏡的質(zhì)量并不很大時，就會出現(xiàn)“微引力透鏡”效應(yīng)：這時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，“強(qiáng)引力透鏡”效應(yīng)會把面光源（比如星系）變成一個繞著引力透鏡天體的一個圓環(huán)：“愛因斯坦環(huán)”。對于點(diǎn)光源，“強(qiáng)引力透鏡”效應(yīng)則會使其分裂為分布在透鏡天體周圍的多個像，成為“愛因斯坦十字架”。

這組圖片展現(xiàn)了對雷夫斯達(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，此時跟蹤觀測計劃剛剛開始。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間拍攝的照片來減少衍射星芒的影響。把其他時間拍的圖片都以恒星為中心對齊（右上）；然后將其順時針旋轉(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)隊的一員?！拔覀?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)的時間非常短暫。凱利對哈勃望遠(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透鏡星系本身是大星系團(tuán)MACS J1149.5+2223的一個成員。人們在十年前就發(fā)現(xiàn)了這個星系團(tuán)。

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

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)隊檢查了哈勃望遠(yuǎn)鏡更早些時候拍攝的照片，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)的時間差別就會越大?！狈评丝平忉屨f。

凱利希望通過測量四個像之間的時間延遲來給出對透鏡天體質(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。并且我們早就知道這些像的位置。我們至少發(fā)現(xiàn)了那個旋渦星系的三個像，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。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)地球的時間也是不同的。

利用這個星系團(tuán)對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)的時間。計算結(jié)果顯示，這顆超新星應(yīng)該在1998年就在第三個像中出現(xiàn)過（盡管那時沒有一臺望遠(yuǎn)鏡看到了這個現(xiàn)象）。這種計算需要非常復(fù)雜的建模技巧。

“我們用了七個不同的星系團(tuán)模型來計算這顆超新星將在何時何處出現(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）以及凱克天文臺的數(shù)據(jù)來建立這個星系團(tuán)的模型。這真是個大工程?！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，對于這顆超新星將在何時出現(xiàn)在不同的像中這一問題，七個模型幾乎給出了完全一樣的預(yù)言。”

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。具體的出現(xiàn)時間還有約一個月的不確定性，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像，20年前這里應(yīng)該出現(xiàn)過一個亮點(diǎn)。根據(jù)計算，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)家一個難得的機(jī)會“重放”這顆超新星爆發(fā)的全過程，同時也讓人們對宇宙中暗物質(zhì)的總量和分布（無論是方框中心那個橢圓星系內(nèi)的還是整個星系團(tuán)內(nèi)的）有更好的認(rèn)識。

凱利對此評價說：“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)會來檢查他們對星系團(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驚喜。