一顆恒星的死亡重播

北辰

1915年，偉大的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出了現(xiàn)代物理學(xué)的奠基之作——廣義相對(duì)論。其中，愛(ài)因斯坦預(yù)言了一種現(xiàn)象——由于時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生畸變，使光線在大質(zhì)量天體附近發(fā)生彎曲（光線沿彎曲空間的短程線傳播）。如果在觀測(cè)者到光源的視線上有一個(gè)大質(zhì)量的前景天體，則在光源的兩側(cè)會(huì)形成兩個(gè)像，就好像有一面透鏡放在觀測(cè)者和天體之間一樣，而這種現(xiàn)象就被稱為引力透鏡效應(yīng)。

當(dāng)光在星系、星系團(tuán)及黑洞等具有巨大引力的天體附近經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)像通過(guò)凸透鏡一樣發(fā)生彎曲，根據(jù)變化了的光線在光譜外波段呈現(xiàn)的不規(guī)則程度，我們就可以推算出發(fā)光星系的年齡和距地距離。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對(duì)引力透鏡效應(yīng)的實(shí)際觀測(cè)證明，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論確實(shí)是關(guān)于引力的正確描述。

引力透鏡打造的星空電影院

在某些情況下，起引力透鏡作用的天體是一個(gè)星系，它對(duì)光的彎曲作用能產(chǎn)生類星體或其他星系等更遙遠(yuǎn)天體的多重像。有些天文學(xué)家認(rèn)為，多達(dá)2/3的已知類星體可能由于引力透鏡效應(yīng)而增加了亮度。

而在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，星系團(tuán)導(dǎo)致的引力透鏡還有很多很多，它們是天文學(xué)家最喜愛(ài)的觀測(cè)目標(biāo)。天文學(xué)家常常會(huì)對(duì)著宇宙邊緣的引力透鏡凝視，引力透鏡能把遠(yuǎn)處的星光呈現(xiàn)在他們眼前，讓他們看到本來(lái)無(wú)法觀測(cè)到的宇宙邊緣，這是一幅靜態(tài)卻又絕美的景觀。

然而，天文學(xué)家并不滿足于此，他們還想通過(guò)引力透鏡看到更多的景象，比如超新星（恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段）。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸，此時(shí)它會(huì)突然增加萬(wàn)倍的亮度。即便如此，人類也只有在引力透鏡的作用下才能看到。引力透鏡還會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)超新星的幾個(gè)幻象。由于星系團(tuán)由多個(gè)星系組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光線會(huì)經(jīng)過(guò)多次折射，超新星就會(huì)出現(xiàn)好幾個(gè)幻象，讓人們以為看到了好多顆超新星。

不過(guò)，無(wú)論是超新星還是它們的幻象，都仍不足以勾起天文學(xué)家的全部激情，他們希望看到奇跡，看到由引力透鏡播放的一本來(lái)自宇宙深處的電影——超新星爆發(fā)的完整過(guò)程。

盡管愛(ài)因斯坦早在100多年前就提到引力透鏡的存在，但人類直到最近幾十年才證明了它的存在。而在近幾年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了形形色色的引力透鏡。如今，他們更是找到了真正能為人類呈現(xiàn)宇宙深處故事的引力透鏡——星系團(tuán)MACS J1149+2223，它是最高級(jí)的引力透鏡，滿足了天文學(xué)家的心愿——能夠像播放電影般敘述宇宙的故事。

雙重引力透鏡打造

愛(ài)因斯坦十字架

星系團(tuán)MACS J1149+2223位于宇宙深處，距離我們足有50億光年。它充當(dāng)了引力透鏡，能把90億光年外的雷夫斯達(dá)爾超新星（Refsdal）呈現(xiàn)在我們眼前。當(dāng)這顆超新星出現(xiàn)時(shí)，經(jīng)過(guò)星系團(tuán)MACS J1149+2223引力透鏡效應(yīng)的作用，會(huì)發(fā)生巨大的改變，呈現(xiàn)出4個(gè)幻象。這4個(gè)幻象基本上處于對(duì)立的位置，就像是一個(gè)十字架，是引力透鏡效應(yīng)最著名的例證之一，被稱為愛(ài)因斯坦十字架。

多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種各樣的引力透鏡，其中就有愛(ài)因斯坦十字架。1985年，地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一例著名的愛(ài)因斯坦十字架引力透鏡G2237+0305，這是一顆類星體的4個(gè)幻象。1999年，日本8米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝到了類星體PG1115+080的四重像，前置天體是一個(gè)距離地球30億光年的橢圓星系，遠(yuǎn)方天體距離地球80億光年。2000年4月，錢德拉空間天文臺(tái)拍攝到類星體H1413+117的四重像，位于牧夫座，也是一個(gè)愛(ài)因斯坦十字架。這3個(gè)十字架都是類星體的十字架。

直到2015年，雷夫斯達(dá)爾超新星產(chǎn)生的十字架在名為MACS J1149+2223的星系團(tuán)中出現(xiàn)，人類才發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)超新星產(chǎn)生的十字架。天文學(xué)家表示，如果僅僅是一個(gè)星系團(tuán)，它應(yīng)該沒(méi)有能力“幻化”出愛(ài)因斯坦十字架，但由于MACS J1149+2223是一個(gè)巨大的橢圓星系，且位置合適，才讓遙遠(yuǎn)的超新星出現(xiàn)了4個(gè)幻象。

可喜的是，人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)由超新星產(chǎn)生的十字架就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的引力透鏡，它表現(xiàn)的是雙重引力透鏡現(xiàn)象。首先，雷夫斯達(dá)爾超新星在遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣爆發(fā)，被橢圓星系放大，出現(xiàn)在橢圓星系中，橢圓星系起到了第一重引力透鏡的作用。第二重引力透鏡就是星系團(tuán)MACS J1149+2223，它把第一重引力透鏡中出現(xiàn)的場(chǎng)景連同引力透鏡本身再一次放大，從而出現(xiàn)在我們眼前。經(jīng)過(guò)這兩次放大，雷夫斯達(dá)爾超新星呈現(xiàn)出的亮度提高了20倍。

星系團(tuán)MACS J1149+2223忠誠(chéng)無(wú)私地把它看到的橢圓星系呈現(xiàn)在人類眼前，至于愛(ài)因斯坦十字架，純粹是它無(wú)意之中打造的完美作品，這需要地球、星系團(tuán)和橢圓星系三者都處于合適的位置及角度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

殊途同歸

這一極其罕見(jiàn)的現(xiàn)象，將幫助天文學(xué)家研究MACS J1149+2223星系團(tuán)的總質(zhì)量，尤其是這個(gè)星系團(tuán)中的質(zhì)量分布情況。更加難得的是，它們還將幫助我們尋找暗物質(zhì)?？茖W(xué)家推測(cè)，暗物質(zhì)在宇宙中占比超過(guò)96%，而引力透鏡現(xiàn)象能讓它們無(wú)處藏身，至少也能為人類尋找暗物質(zhì)提供重大線索。

天文學(xué)家在討論愛(ài)因斯坦十字超新星幫助我們了解宇宙暗物質(zhì)的同時(shí)，還有人提出了另一個(gè)重要的想法——引力透鏡將會(huì)成為星空影院，幫助我們觀看超新星爆發(fā)的整個(gè)過(guò)程。

在穿過(guò)透鏡來(lái)到我們眼前時(shí)，超新星行進(jìn)的路線極為復(fù)雜，尤其是經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)，它甚至經(jīng)過(guò)了好幾條路線。畢竟這個(gè)透鏡非常復(fù)雜，它是一個(gè)星系團(tuán)，既有物質(zhì)稠密的空間，也有空無(wú)一物的地區(qū)。

不同的路線決定了不同的路程，因此4個(gè)幻象呈現(xiàn)在我們眼前的時(shí)間也會(huì)不同。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的4個(gè)超新星影像就是在幾天或者幾周的時(shí)間內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)的，并非同時(shí)出現(xiàn)，第一個(gè)和第四個(gè)圖像的出現(xiàn)時(shí)間間隔了大約26天。同時(shí)，天文學(xué)家根據(jù)在橢圓星系一條旋臂上觀測(cè)到的第一個(gè)超新星幻象，成功預(yù)測(cè)了超新星也會(huì)出現(xiàn)在其他幻象的旋臂上。不僅如此，科學(xué)家還進(jìn)一步得出結(jié)論：在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，雷夫斯達(dá)爾超新星還會(huì)再次出現(xiàn)在這個(gè)引力透鏡的某個(gè)未知部位。它出現(xiàn)的時(shí)候，就會(huì)像播放電影那樣，為人類演示爆發(fā)的全過(guò)程。

不知上映時(shí)間的電影

雖然這部“電影”經(jīng)過(guò)兩重引力透鏡才傳送至我們面前，內(nèi)容必然會(huì)有些失真，但對(duì)于科學(xué)家而言已經(jīng)十分寶貴。在“電影”播放的這段時(shí)間內(nèi)，他們會(huì)研究超新星爆發(fā)的整個(gè)過(guò)程，觀測(cè)它的光度變化，以及光學(xué)波段之外的電磁波變化。

超新星爆發(fā)往往會(huì)持續(xù)幾個(gè)星期，因此這部宇宙“電影”的時(shí)長(zhǎng)也大致為幾個(gè)星期。雖然天文學(xué)家已經(jīng)通過(guò)引力透鏡，觀看了4遍雷夫斯達(dá)爾超新星爆發(fā)的電影，但他們?nèi)圆粷M足，依舊選擇靜靜等候，等待觀看星系團(tuán)MACS J1149+2223播放的下一場(chǎng)“電影”。當(dāng)然，沒(méi)有人能預(yù)測(cè)下一場(chǎng) “電影”會(huì)在什么時(shí)候開(kāi)播，也許就在不久之后，也許還要我們等待幾年。

“電影屏幕”在50億光年之外，主角卻距離我們有90億光年。當(dāng)雷夫斯達(dá)爾超新星爆發(fā)的光經(jīng)過(guò)雙重引力透鏡，在星系團(tuán)MACS J1149+2223這塊屏幕上再次出現(xiàn)的時(shí)候，天文學(xué)家一定會(huì)歡呼慶祝。如果要給這部“電影”起個(gè)名字，應(yīng)該就是《一顆恒星的死亡重播》。