超新星和引力透镜：天作之合

□ 文 何锐思（R ichard de Grijs） / 翻译 程思浩

超新星和引力透镜：天作之合

□ 文 何锐思（R ichard de Grijs） / 翻译 程思浩

哈勃太空望远镜拍摄到的这幅图中出现了五个类似恒星的像，其实它们都来自于一个遥远的类星体。图片来源：NASA

视 点天文

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

2016年5月的最后一个星期，我在北京的国际空间科学研究所组织了一次国际会议。会议主要是希望增进我们对各种最前沿的天文测距方法的理解。天文学家在日常的工作中就是用它们来测量宇宙中各种天体的距离的。我在这精彩的一周结束后，不禁回想着会议中来自世界各地的45位科学家们一系列精彩报告，还有无数非常深入的讨论（全都是在相互支持，非常友好的氛围中进行的），我感到非常满足。我敢说，这算得上是我负责的会议中最成功、最让人愉快的会议之一了。我还见到了很多昔日老友，也认识了很多新的朋友。

相当一部分报告是关于近期的新发现的，这让我感觉我们仿佛已经站在一个天文测距新纪元的起点，一个能更准确测距的纪元。报告中最让我印象深刻的是苏游瑄和她的团队用所谓引力透镜（大质量天体能够弯曲光线，后文有详细介绍）来测量距离的工作。苏游瑄是我的同事也是好朋友，同时受聘于台湾“中研院”天文和天体物理研究所以及德国的马普天体物理研究所。她非常偶然地发现了一颗超新星（大质量恒星生命终结时的剧烈爆炸）正好被前面的引力透镜聚焦为多个像。她们不仅能测出这个系统的距离，还能预言新的像将在什么时候出现。结果是她们的计算完全正确！这是测距方法上的一个大突破，同时也再次证实了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论（当然去年年底和今年探测到的引力波信号已经一劳永逸地证明了它）。太震撼了！我简直没法用语言来形容我的感受。

让我来仔细地讲讲为什么我会感到如此震撼。超新星是研究宇宙历史时天文学家手里最重要的工具之一。它出现的频率让我们可以一窥星系中恒星形成的活跃度，还能展现重元素的产生情况以及用来计算星系的距离。尽管这些巨大的爆炸非常非常亮，也总有一个距离的极限，再远的超新星用我们这一代的望远镜就看不到了。不过，引力透镜效应能让这个极限变得更远些。过去几十年里，天文学家意识到天空中其实充满了很多引力透镜，能够让原本通过最大的望远镜也很难看到的遥远、暗淡的天体变得可见。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言在宇宙中质量的聚集会弯曲时空，能像透镜一样让光线弯曲并聚焦，从而增强它后方的天体的亮度。这个想法最早在1924年被提出来。1937年美籍瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）认为星系可以作为引力透镜。这个效应直到1979年才被观测到，那时天文学家发现了一个类星体（遥远的活跃星系的核）在它前面的星系团的引力作用下成了两个像。

由于前方的一个星系和星系团的引力，远处的超新星发出的光线被偏转。这就像是在前方放置了放大镜一样，远处超新星的光线得以增强。这种特别的现象就叫作引力透镜效应，它就像大自然为我们准备了一台大望远镜，把后方超新星的光线变亮了20倍。图片来源：NASA/ESA/GLASS/深空超新星（FrontierSN）团队

如今，引力透镜让人们可以一窥138亿年前的大爆炸之后不久形成的那些极远极暗的天体。但是寻找宇宙早期的超新星时，天文学家没法使用和搜索其他超新星一样的办法。一般的超新星巡天主要是在可见光波段进行的，但是宇宙早期的超新星发出的光已经由于宇宙的膨胀转移到了近红外波段。已有的超新星巡天项目几乎没有在这个波段工作的。

不过，有一个团队正在用位于智利的甚大望远镜（VLT）来寻找被大质量星系团Abell 1689的引力所成像的超新星。这个团队由瑞典斯德哥尔摩大学的拉曼·阿玛努拉（Rahman Amanullah）领导。Abell 1689星系团是非常著名的引力透镜之一，在它的聚焦下我们看到了很多大爆炸后不久形成的最早的星系。

在2009年，该团队在这个被引力透镜放大的区域里发现了一颗位于50-60亿光年远的超新星，之后又发现了一颗更远的，大概有100亿光年远，其亮度被增强了约4倍。根据其光谱的特征，研究者们推断这是大质量恒星塌缩后爆炸所形成的超新星。它可算是人们找到的最远的超新星之一了。

星系团Abell 1689

最近，在查看哈勃太空望远镜2014年11月10日拍摄的红外照片时，加州大学伯克利分校的天文学家帕特里克·凯利（Patrick Kelly）发现了另一个引力透镜超新星。这回的透镜天体是位于星系团中的一个大质量星系，它和整个星系团都可以充当引力透镜天体。超新星在这个星系的引力下被一分为四。

凯利说：“这些引力透镜天体就像天然的放大镜。我们就像拥有了更大的望远镜一样。这些星系团有时能够把后面的天体放大、增亮100倍。”

哈勃望远镜拍的这张照片是太空棱栅引力透镜巡天（Grism Lens-Amplified Survey from Space，GLASS）的成果之一，这个项目拍摄大质量星系团附近星系的近红外光谱，用以研究位于星系团后方的、被星系团引力透镜所放大的宇宙早期星系，以及星系团内部不同位置星系的性质。

这次事件是人们第一次看到被引力透镜多次成像的超新星。凯利和他的合作者给它起名字叫雷夫斯达尔超新星，以此纪念引力透镜研究的先驱者，已故挪威天体物理学家舒尔·雷夫斯达尔（Sjur Refsdal）。这颗远在93亿光年外的超新星几乎已经达到了我们能观测的宇宙的边缘；作为引力透镜的那个星系则距地球大概有50亿光年远。

凯利说：“原则上说，我们应该看到这颗超新星四次。通过测量这4个像之间的时间延迟，应该能算出这颗超新星的一些信息，它的前身星是什么，还有一些引力透镜天体的性质。并且，这些计算都是很干净利落的。”

当背景天体发出的光经过一个大质量天体，比如说星系或者星系团附近时，光线就会弯曲。当光的路径离这个引力透镜比较远，或者引力透镜的质量并不很大时，就会出现“微引力透镜”效应：这时我们看到背景天体的形状被微微扭曲了。当背景天体几乎在引力透镜的正后面时，“强引力透镜”效应会把面光源（比如星系）变成一个绕着引力透镜天体的一个圆环：“爱因斯坦环”。对于点光源，“强引力透镜”效应则会使其分裂为分布在透镜天体周围的多个像，成为“爱因斯坦十字架”。

这组图片展现了对雷夫斯达尔超新星的跟踪观测。左图是哈勃太空望远镜的深视野项目（Frontier Fields programme）拍摄的星系团MACS J 1149.5+2223的图像。圆圈画出的是预言中超新星将出现的位置。在图片的右下方能清晰地看到2014年底出现的爱因斯坦十字。右上图是哈勃望远镜在2015年10月底拍摄的照片，此时跟踪观测计划刚刚开始。右下图是2015年12月11日拍到的再次出现的雷夫斯达尔超新星，和理论预言完全相符。

星系团MACS J 1149.5+2223所在的区域。图中标示为1.1，1.2和1.3的是雷夫斯达尔超新星所在星系的三个像。这颗超新星在像1.1中出现在东南方的旋臂上，并且被前面的红色星系一分为四，形成爱因斯坦十字。右边的三张图就是图中方框内的区域（比例相同），展示了如何使用不同时间拍摄的照片来减少衍射星芒的影响。把其他时间拍的图片都以恒星为中心对齐（右上）；然后将其顺时针旋转90度（右中）；用原图减去这些旋转过的图像，就可以消除大部分星芒的影响（右下）。图片来源：Steven A. Rodney et al., 2015

“这真是个大发现！”加州大学伯克利分校的天文学教授阿列克谢·菲利潘科（Alex Filippenko）说道。菲利潘科也是凯利团队的一员。“我们为了寻找强引力透镜下的超新星已经花了50年。现在终于有了一颗！除了看上去很炫酷，这个系统还能告诉我们有用的天体物理信息。以前我们见到过很多遥远的类星体呈现出爱因斯坦十字架的形状，但看到这样的超新星还是第一次。超新星持续的时间非常短暂。凯利对哈勃望远镜的图像做了无比细致的检查，并且注意到了这个特殊的形状，这才发现了这颗难得的超新星。好运总会降临在有准备的人身上。”

把超新星的光聚焦成爱因斯坦十字架的这个透镜星系本身是大星系团MACS J1149.5+2223的一个成员。人们在十年前就发现了这个星系团。

在2009年，天文学家发现这个星系团将其后的一个旋涡星系聚焦为几个像，其中包括一个我们所知的最大的引力透镜成像。雷夫斯达尔超新星就在这个旋涡星系的一条旋臂上，因此也应该出现在这若干个旋涡星系的像当中。另外，星系团中一个红色椭圆星系的引力还为这颗超新星聚焦了额外四个像。

哈勃太空望远镜拍摄的照片。图中为数众多的红色星系都是星系团MACS J 1149.5+2223的成员，它们严重地弯曲（并且增强）了后方的星系发出的光线。其中的一个星系（图中的方框内）把背景星系旋臂上出现的超新星一分为四（放大图中的箭头所指），它们形成了一个爱因斯坦十字。图片版权为NASA太空望远镜科学中心和ESA的Z. Levay所有。加州大学伯克利分校的帕特里克·凯利和阿列克谢·菲利潘科参与发现和分析了这颗超新星。

“我们有一个红色的星系作为强引力透镜，而它本身又位于星系团中，这增强了它的放大能力。于是我们拥有了一个双引力透镜体系。”凯利这样解释道。

在凯利发现这颗非常遥远的超新星后，他和他的团队检查了哈勃望远镜更早些时候拍摄的照片，发现早在11月3日的图像上就能找到它，只是那时它还非常暗淡。这期间，哈勃空间望远镜还用宽视野红外相机（WFC3/IR）拍摄了几十张包含这颗超新星的照片。

“非常幸运的是，每隔两三天就能找到一张它的照片，从而能够非常仔细地研究引力透镜所成的这四个像。”凯利说。

“光走的路径越长，或者光经过的引力场越强，这些像出现的时间差别就会越大。”菲利潘科解释说。

凯利希望通过测量四个像之间的时间延迟来给出对透镜天体质量分布、宇宙膨胀规律和宇宙几何形状的限制。他最终确实做到了。

“这颗超新星的特别之处在于，它所属的星系本身也被引力透镜成像了。并且我们早就知道这些像的位置。我们至少发现了那个旋涡星系的三个像，分布在星系团的周围。”南卡罗莱纳大学的合作者史蒂夫·罗德尼（Steve Rodney）解释说。

这是一种很难得的机会。由于星系团中的物质（包括暗物质和可见物质）分布并不均匀，其引力聚焦出的若干个像的光路和光程也都不同。因此，走不同路径的光到达地球的时间也是不同的。

利用这个星系团对其他星系所成的引力透镜像以及2014年发现的爱因斯坦环，天文学家能够准确地预言这颗超新星在旋涡星系不同的像中出现的时间。计算结果显示，这颗超新星应该在1998年就在第三个像中出现过（尽管那时没有一台望远镜看到了这个现象）。这种计算需要非常复杂的建模技巧。

“我们用了七个不同的星系团模型来计算这颗超新星将在何时何处出现。我们要综合所有来自哈勃望远镜、甚大望远镜的多单元光谱仪（MUSE）以及凯克天文台的数据来建立这个星系团的模型。这真是个大工程。”来自美国加州大学洛杉矶分校的托马索·特雷乌（Tommaso Treu）如是说。“最终，对于这颗超新星将在何时出现在不同的像中这一问题，七个模型几乎给出了完全一样的预言。”

从2015年10月底开始，哈勃望远镜就定期地指向星系团M A C S J1149.5+2223，以期观测到这颗将“再次出现”的超新星，从而证实理论的预言。终于，雷夫斯达尔超新星在12月11日再次现身；尽管在预期之内，却又无比令人激动。具体的出现时间还有约一个月的不确定性，这来源于哈勃望远镜两次观测间的间隔。

在放大图中能够清晰地看到四个亮点，它们就是2014年11月11日发现的超新星。蓝色的圆圈画出了星系团为超新星所在的旋涡星系所成的另外一个像，20年前这里应该出现过一个亮点。根据计算，在红色的圆圈内应该能再次看到这颗超新星。这给了天文学家一个难得的机会“重放”这颗超新星爆发的全过程，同时也让人们对宇宙中暗物质的总量和分布（无论是方框中心那个椭圆星系内的还是整个星系团内的）有更好的认识。

凯利对此评价说：“这次，哈勃望远镜极好地展示了现代科学方法。通过观测检验理论的预言，这是能帮助我们了解宇宙的一个强有力的办法。”

“多次现身”的雷夫斯达尔超新星给天文学家提供了绝佳的机会来检查他们对星系团内质量的分布，尤其是那神秘的暗物质的分布所做的模型是否正确。很多天文学家都十分关注正在进行中的哈勃深视野（Hubble Frontier Fields）项目，期待着它给我们带来的下一个惊喜。