引力透鏡放大「標準燭光」，揭幕宇宙觀測新時代

　　艾麥樂 發表於  2017-04-21 17:18

　　

　　這幅組圖顯示了不同望遠鏡中所見的iPTF16geu，天文學家發現的第一顆被引力透鏡放大的Ia型超新星。背景圖是帕洛瑪天文台所見的大視場的夜空。最左插圖是斯隆數字巡天拍攝的可見光照片，顯示了透鏡星系及其周邊的天區。中左插圖由哈勃空間望遠鏡拍攝，是透鏡星系放大20倍的紅外影像。中右插圖也由哈勃望遠鏡拍攝，放大5倍的可見光圖像揭示了iPTF16geu被引力透鏡放大的4個不同的影像。最右插圖是凱克望遠鏡拍攝的紅外圖像，揭示了iPTF16geu的4個引力透鏡影像，以及它所在的星系被引力透鏡扭曲而形成的「光弧」。圖片來源：Joel Johansson, Stockholm University

　　有史以來第一次，一個國際天文學家團隊見證了Ia型超新星發出的亮光被宇宙級透鏡放大。Ia型超新星，常被稱為「標準燭光」，因為它們本身的亮度被了解得非常清楚。天文學家用Ia型超新星來精確測量我們宇宙的膨脹速度，稱量宇宙中暗能量的比例，他們認為是暗能量在加速宇宙膨脹的步伐。

　　找到一顆被引力透鏡放大的Ia型超新星，就好像發現了一盞更明亮的燭光可以拿來觀察宇宙。這些研究者說，這一發現只是一個開始，後面會有更多類似的收穫。有了一堆被引力透鏡放大的Ia型超新星，就可以對宇宙最基本的一些特性進行更精確的測量。

　　引力透鏡指的是，一個天體（比如一個星系）的引力彎曲和放大了另一個更遙遠天體發出的光。這種效應能夠導致星系的影像被奇怪地扭曲，甚至讓同一個天體產生好幾個影像。自20世紀初愛因斯坦首次預言引力透鏡以來，儘管這一現象已經被觀察到許多次，但事實證明拍到Ia型超新星被引力透鏡放大的影像卻非常困難，直到現在才有所突破。

　　在這項於4月21日發表在《科學》雜誌上的新研究中，研究者拍到了一顆Ia型超新星，稱之為iPTF16geu，發現它被引力透鏡分成了4個不同的影像。

　　「在被強引力透鏡放大的『標準燭光』超新星中首次分辨出多重影像，這是一個重大突破。」這項研究的牽頭作者、瑞典斯德哥爾摩大學奧斯卡·克萊因中心的教授阿里埃勒·古巴爾（Ariel Goobar）說，「通常，當看見一個被引力透鏡放大的天體時，我們並不知道那個天體本身的亮度，但有了Ia型超新星，我們就知道了。這將讓我們對引力透鏡現象作出更好的定量的理解。」

　　古巴爾和他的團隊作為合伙人，參與了兩項由美國加州理工學院領導的國際科學合作項目，分別是中期帕洛瑪瞬變現象工廠（iPTF）和瞬變天體觀測用天文台全球接力（GROWTH）計劃。iPTF項目藉助帕洛瑪天文台及其獨一無二掃描天空的能力，幾乎實時地發現著超新星之類快速變化的宇宙現象。GROWTH則管理著一個由科學家和望遠鏡組成的全球網路，能夠迅速展開後續觀測，細緻地研究這些瞬變現象。

　　研究合作者曼斯·卡斯里渥（Mansi Kasliwal）說，「看到帕洛瑪天文台拍到的iPTF16geu原始數據時，我有些困惑。它看起來像是一顆普通的Ia型超新星，但考慮到離我們遙遠的距離，它又顯得太過明亮了。利用更強大的設備進行快速後續觀測證實，我們遇到了一起極為有趣和罕見的現象。」他是GROWTH計劃的首席研究員，加州理工學院的助理教授。

　　在發現iPTF16geu之後的2個月內，研究團隊利用世界上最先進的一些望遠鏡對它進行了觀測，包括NASA和ESA的哈勃空間望遠鏡、位於夏威夷莫納克亞山頂凱克天文台的自適應光學設備，以及位於智利的甚大望遠鏡（VLT）。除了拍到令人驚嘆的漂亮照片以外，觀測iPTF16geu這樣被強引力透鏡放大的Ia型超新星，在科學上也極有價值。天文學家能夠非常精確地測量，這顆超新星不同的影像發出的光要花多久才能傳到我們這裡。抵達時間上的差異又能夠用來相當精確地估測宇宙膨脹的速度，也就是所謂的哈勃常數。

　　

　　這顆Ia型超新星發出的光，經過透鏡星系引力的彎曲，沿著4條不同的路徑傳到地球，產生了4個不同的影像。估算這些影像抵達地球所花的時間，有助於測定宇宙膨脹的速度。圖片來源：ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al., edited and modified by Joel Johansson

　　被引力透鏡放大的Ia型超新星還有另外一個獨特的優勢，它們能夠被相對較小的望遠鏡發現。比如，拍到iPTF16geu這顆超新星的望遠鏡，就是帕洛瑪天文台里口徑48英寸的塞繆爾·奧斯欽望遠鏡。更大的望遠鏡往往工作繁忙，配備的相機也視場狹窄，用來日常巡天要花太多的時間。iPTF項目每個夜晚能夠掃描可見天空的1/15。它的繼任者——茲威基瞬變現象工廠（ZTF）今年夏天將開始啟動觀測，掃描天空的速度會更快，有能力在每一個夜晚都覆蓋全部可見天空。通過掃描更大面積的天空，天文學家能夠篩選成千上萬個天體，從中發現罕見的現象，比如被引力透鏡放大的Ia型超新星。

　　天文學及行星科學教授斯里·庫爾卡尼（Shri Kulkarni）說，「我被震驚到了。在構思iPTF項目的時候，對於發現這樣的現象，我們只敢做夢想想。我們知道它們存在，但我們真心沒有預期能夠發現一個！對iPTF的繼任者ZTF來說，這是一個很好的兆頭。」他是ZTF的首席研究員，也是加州理工學院光學天文台主管。

　　「不只如此，雖然ZTF的巡天速度要比iPTF快10倍，但大型綜合巡天望遠鏡（LSST）之類的新設備會比ZTF再快10倍。顯然，iPTF16geu的發現暗示，LSST將有可能完成一大堆新的科學發現。」庫爾卡尼補充道。

　　對iPTF16geu的研究也已經得出了有趣的結果。利用凱克天文台和哈勃望遠鏡的觀測數據，研究團隊計算了放大iPTF16geu的透鏡星系中物質的分佈狀況——它的總質量達到太陽的100億倍，半徑約為3000光年。相比其他的透鏡天體，這個星系相對較小。研究諸如此類的異常透鏡天體，讓天文學家對引力透鏡有了新的視角，可能會修正我們已知的影響引力透鏡的因素，比如暗物質和愛因斯坦的廣義相對論。

　　這項研究的合作者、瑞典斯德哥爾摩大學的科學家拉赫曼·阿曼努拉（Rahman Amanullah）說，「發現iPTF16geu，真的就像是在大海里撈到了一根特別奇怪的針。它向我們揭示了一點關於宇宙的更多知識，更主要的卻是引出了一大堆新的科學問題。這正是我熱愛科學和天文學的理由。」（編輯：Steed）