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《科学24小时》

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一颗恒星的死亡直播

2017-05-31 11:22:00

 

1915年,伟大的阿尔伯特·爱因斯坦提出了现代物理学的奠基之作——广义相对论。 其中,爱因斯坦预言了一种现象——由于时空在大质量天体附近会发生畸变,使光线在大质量天体附近发生弯曲(光线沿弯曲空间的短程线传播)。如果在观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体,则在光源的两侧会形成两个像,就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样,而这种现象就被称为引力透镜效应。

当光在星系、星系团及黑洞等具有巨大引力的天体附近经过时,会像通过凸透镜一样发生弯曲,根据变化了的光线在光谱外波段呈现的不规则程度,我们就可以推算出发光星系的年龄和距地距离。

随着科学技术的不断发展,人类对引力透镜效应的实际观测证明,爱因斯坦的广义相对论确实是关于引力的正确描述。

引力透镜打造的星空电影院

在某些情况下,起引力透镜作用的天体是一个星系,它对光的弯曲作用能产生类星体或其他星系等更遥远天体的多重像。 有些天文学家认为,多达2/3的已知类星体可能由于引力透镜效应而增加了亮度。

而在遥远的宇宙深处,星系团导致的引力透镜还有很多很多,它们是天文学家最喜爱的观测目标。 天文学家常常会对着宇宙边缘的引力透镜凝视,引力透镜能把远处的星光呈现在他们眼前,让他们看到本来无法观测到的宇宙边缘,这是一幅静态却又绝美的景观。

然而,天文学家并不满足于此,他们还想通过引力透镜看到更多的景象,比如超新星(恒星演化过程中的一个阶段)。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸,此时它会突然增加万倍的亮度。即便如此,人类也只有在引力透镜的作用下才能看到。 引力透镜还会呈现出一个超新星的几个幻象。由于星系团由多个星系组成,结构复杂,光线会经过多次折射,超新星就会出现好几个幻象,让人们以为看到了好多颗超新星。

不过,无论是超新星还是它们的幻象, 都仍不足以勾起天文学家的全部激情,他们希望看到奇迹,看到由引力透镜播放的一本来自宇宙深处的电影——超新星爆发的完整过程。

尽管爱因斯坦早在100多年前就提到引力透镜的存在,但人类直到最近几十年才证明了它的存在。 而在近几年,科学家已经发现了形形色色的引力透镜。 如今,他们更是找到了真正能为人类呈现宇宙深处故事的引力透镜——星系团 MACS J1149+2223,它是最高级的引力透镜,满足了天文学家的心愿——能够像播放电影般叙述宇宙的故事。

双重引力透镜打造爱因斯坦十字架

星系团 MACS J1149+2223位于宇宙深处,距离我们足有50亿光年。它充当了引力透镜,能把90亿光年外的雷夫斯达尔超新星(Refsdal)呈现在我们眼前。 当这颗超新星出现时,经过星系团 MACS J1149+2223引力透镜效应的作用,会发生巨大的改变,呈现出4个幻象。 4个幻象基本上处于对立的位置,就像是一个十字架,是引力透镜效应最著名的例证之一,被称为爱因斯坦十字架。

多年前,科学家发现了各种各样的引力透镜,其中就有爱因斯坦十字架。 1985年,地面望远镜发现了一例著名的爱因斯坦十字架引力透镜G2237+0305,这是一颗类星体的4个幻象。1999年,日本8米光学望远镜拍摄到了类星体 PG1 1 15+080的四重像,前置天体是一个距离地球30亿光年的椭圆星系,远方天体距离地球80亿光年。 20004月,钱德拉空间天文台拍摄到类星体H1413+117 的四重像,位于牧夫座,也是一个爱因斯坦十字架。 3个十字架都是类星体的十字架。

直到2015年,雷夫斯达尔超新星产生的十字架在名为 MACS J1149+2223的星系团中出现,人类才发现了第一个超新星产生的十字架。 天文学家表示,如果仅仅是一个星系团,它应该没有能力“幻化”出爱因斯坦十字架,但由于 MACS J1 149+ 2223是一个巨大的椭圆星系,且位置合适,才让遥远的超新星出现了4 个幻象。

可喜的是,人类发现的第一个由超新星产生的十字架就不是一个简单的引力透镜,它表现的是双重引力透镜现象。首先,雷夫斯达尔超新星在遥远的宇宙边缘爆发,被椭圆星系放大,出现在椭圆星系中,椭圆星系起到了第一重引力透镜的作用。 第二重引力透镜就是星系团 MACS J1 149+2223,它把第一重引力透镜中出现的场景连同引力透镜本身再一次放大,从而出现在我们眼前。 经过这两次放大,雷夫斯达尔超新星呈现出的亮度提高了20倍。

星系团 MACS J1149+2223忠诚无私地把它看到的椭圆星系呈现在人类眼前,至于爱因斯坦十字架,纯粹是它无意之中打造的完美作品,这需要地球、星系团和椭圆星系三者都处于合适的位置及角度时才会出现。

殊途同归

这一极其罕见的现象,将帮助天文学家研究 MACS J1149+2223星系团的总质量,尤其是这个星系团中的质量分布情况。 更加难得的是,它们还将帮助我们寻找暗物质。科学家推测,暗物质在宇宙中占比超过96%,而引力透镜现象能让它们无处藏身,至少也能为人类寻找暗物质提供重大线索。

天文学家在讨论爱因斯坦十字超新星帮助我们了解宇宙暗物质的同时,还有人提出了另一个重要的想法——引力透镜将会成为星空影院,帮助我们观看超新星爆发的整个过程。

在穿过透镜来到我们眼前时,超新星行进的路线极为复杂,尤其是经过透镜时, 它甚至经过了好几条路线。 毕竟这个透镜非常复杂,它是一个星系团, 既有物质稠密的空间,也有空无一物的地区。

不同的路线决定了不同的路程,因此4个幻象呈现在我们眼前的时间也会不同。 哈勃望远镜拍摄到的4个超新星影像就是在几天或者几周的时间内陆续出现的,并非同时出现,第一个和第四个图像的出现时间间隔了大约26天。 同时,天文学家根据在椭圆星系一条旋臂上观测到的第一个超新星幻象,成功预测了超新星也会出现在其他幻象的旋臂上。 不仅如此,科学家还进一步得出结论:在未来的某个时刻,雷夫斯达尔超新星还会再次出现在这个引力透镜的某个未知部位。 它出现的时候,就会像播放电影那样,为人类演示爆发的全过程。

不知上映时间的电影

虽然这部“电影”经过两重引力透镜才传送至我们面前,内容必然会有些失真,但对于科学家而言已经十分宝贵。 在“电影”播放的这段时间内,他们会研究超新星爆发的整个过程,观测它的光度变化, 以及光学波段之外的电磁波变化。

超新星爆发往往会持续几个星期, 因此这部宇宙“电影”的时长也大致为几个星期。 虽然天文学家已经通过引力透镜,观看了4遍雷夫斯达尔超新星爆发的电影,但他们仍不满足,依旧选择静静等候,等待观看星系团MACS J1 149+2223播放的下一场“电影”。当然,没有人能预测下一场“电影”会在什么时候开播,也许就在不久之后,也许还要我们等待几年。

“电影屏幕”在50亿光年之外,主角却距离我们有90亿光年。 当雷夫斯达尔超新星爆发的光经过双重引力透镜,在星系团 MACS J1149+ 2223这块屏幕上再次出现的时候,天文学家一定会欢呼庆祝。如果要给这部“电影”起个名字,应该就是《一颗恒星的死亡重播》。

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