科学家发现引力透镜形成超新星神奇四重影像

据科学日报报道，利用美国宇航局哈勃太空望远镜的天文学家们首次观测到一个分离成四重影像的超新星。这个爆炸恒星的多重影像是由镶嵌在一个巨大星系群里的前景椭圆星系的强大引力所致。这一独特的观测将帮助天文学家改进他们对透镜星系和星系群里暗物质量和分布的估计。暗物质无法被直接观测到，但据称它组成了 宇宙质量的绝大部分。 ?CT^Zegmr  
|3<ehvKy  
,~j$rs`Z  
椭圆星系和星系群的引力扭曲和放大了它们背后超新星发出的光，这种效应被称为引力透镜效应。最初由爱因斯坦观测到的这一效应类似于玻璃镜片可以放大和弯曲背后物体的图像。这些多重影像以十字形的样式分布在椭圆星系周围，这一样式也被称为爱因斯坦十字。这一名字最初是用来描述一个特殊多重成像的类星体——一个活跃星系的明亮核心。 6JFDRsX>)?  
n;k97>m${x  
椭圆星系和它的星系群MACS J1149.6+2223距离地球50亿光年远，它背后的超新星距离地球93亿光年。尽管天文学家已经发现了几十个多重成像星系和类星体，他们从未见过一个恒星爆炸分解成为几重影像。“当我观察到这一星系周围的四重影像时，真是大吃一惊。” 太空棱栅透镜放大调查（GLASS）合作成员之一、美国加州大学伯克利分校的帕特里克·凯利(Patrick Kelly)这样说道。GLASS研究小组正在与前沿领域超新星搜索(FrontierSN)小组合作分析这颗爆炸恒星。凯利还是这项发表在3月6日的期刊《科学》上的文章的首席作者。 L(1,W<kYg  
?_Dnfa_  
当这四重影像逐渐消失，天文学家预测他们将获得再次观察到超新星重新出现的罕见机会。这是因为目前的四张影像样式只是透镜效应展示的一部分。超新星可能在20年前在某个星系群里以单一影像的形式出现过一次，并在未来五年内再重新出现。 ]6VUqFO)  
,^+R%7mv  
这一预测是基于这一星系群的计算机模型，后者描述了超新星光线通过星系群里暗物质迷宫的不同方式。每一重影像都采取了不同路径穿过星系群并在不同时间到达，后者部分是源于光线经过路径的长度差异。例如，哈勃捕捉到的四重超新星影像出现时间相距几天或者几周。 iQ]c k-  
);uZ4PNK/?  
超新星不同的光线路径类似于几辆火车同时从一个车站出发，它们会以相同的速度行驶，并将到达相同的目的地。然而，每辆火车都会采取不同的路线，且每条路线的距离是不同的。有些火车会翻过高山，有些穿过峡谷，有些绕着山区盘旋，它们并不会同时到达目的地。类似的，超新星的影像也不会同时出现，因为有些光线会因星系群里密集物质引力产生的弯曲而导致延迟。 X+gz+V/  
o4[2`mT  
“我们建立的星系群内的暗物质模型为我们提供了下一重影像出现时间的预测，因为它告诉了我们每一条火车的行驶距离是多少，而行驶时间是与行驶距离有关的。” 带领FrontierSN小组的美国马里兰州巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学的史蒂夫·罗德尼(Steve Rodney)解释说：“我们已经错过了第一重影像——我们认为它出现在20年前，这四重影像在出现时恰好被我们观测到。更令我们感到兴奋的是，我们预测未来还将出现一个影像，而我们很可能可以捕捉到。我们希望届时再利用哈勃太空望远镜进行观测，我们将密切关注下一次影像出现的时间。” M(h H#_$  
BWi 7v
  
测量影像之间的延迟将提供超新星光线经过的时空扭曲类型的线索，同时帮助天文学家更好的修改绘制星系群质量的地图。“我们将测量时间延迟，将这些数据返回模型并与光线路径的模型预测进行对比。”我们的透镜建模科学家——例如研究小组成员、加州帕萨迪纳市加州理工学院的阿迪·齐特林（Adi Zitrin）——将可以调整他们建立的模型以更精确的再造暗物质地形。 b%!`fn-;  
kN9sug^  
在对GLASS研究小组的数据进行例行检查时，凯利在2014年11月11日观测到爆炸恒星的四重影像。FrontierSN和GLASS小组自2013年起就在搜寻这样高度放大的爆炸，而这一天体是他们最壮观的发现。这一超新星比平时的自然亮度要明亮20倍，这主要是两个重叠透镜的结合效应所致。主要的透镜效应来自巨大的星系群，它将超新星的光线至少分散至是三条单独路径。第二级透镜效应发生于当其中一条光束通道恰好与星系群里特定的椭圆星系精确对齐时。“这个星系里的暗物质将光弯曲并重新聚焦到另外四条路径上。”罗德尼解释道。“从而产生了我们所观察到的罕见的爱因斯坦十字样式。” GY$?^&OO>  
<]e;tF)+  
这两支研究小组花费了一周时间分析天体的光线，从而证实了它的确是超新星的特征。接着他们利用夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台测量超新星宿主星系的距离。天文学家将这颗超新星取名为雷夫斯达尔（Refsdal），以纪念已故的挪威天文学家舒尔·雷夫斯达尔（Sjur Refsdal）。他在1946年最早提出利用超新星因引力透镜而导致的时间延迟影像来研究宇宙的膨胀。“从那时起，天文学家就一直在寻找这样一颗超新星，”GLASS项目首席科学家、美国加州大学洛杉矶分校的托马索·特雷乌（Tommaso Treu）这样说，“现在这一漫长的等待终于结束了！”