鳳凰科技訊 北京時間3月11日消息，據科學日報報導，利用美國宇航局哈勃太空望遠鏡的天文學家們首次觀測到一個分離成四重影像的超新星。這個爆炸恆星的多重影像是由鑲嵌在一個巨大星系群裡的前景橢圓星系的強大引力所致。這一獨特的觀測將幫助天文學家改進他們對透鏡星系和星系群裡暗物質量和分布的估計。暗物質無法被直接觀測到，但據稱它組成了宇宙質量的絕大部分。
引力透鏡
橢圓星系和星系群的引力扭曲和放大了它們背後超新星發出的光，這種效應被稱為引力透鏡效應。最初由愛因斯坦觀測到的這一效應類似於玻璃鏡片可以放大和彎曲背後物體的圖像。這些多重影像以十字形的樣式分布在橢圓星系周圍，這一樣式也被稱為愛因斯坦十字。這一名字最初是用來描述一個特殊多重成像的類星體——一個活躍星系的明亮核心。
橢圓星系和它的星系群MACS J1149.6+2223距離地球50億光年遠，它背後的超新星距離地球93億光年。儘管天文學家已經發現了幾十個多重成像星系和類星體，他們從未見過一個恆星爆炸分解成為幾重影像。「當我觀察到這一星系周圍的四重影像時，真是大吃一驚。」 太空稜柵透鏡放大調查（GLASS）合作成員之一、美國加州大學伯克利分校的派屈克·凱利(Patrick Kelly)這樣說道。GLASS研究小組正在與前沿領域超新星搜索(FrontierSN)小組合作分析這顆爆炸恆星。凱利還是這項發表在3月6日的期刊《科學》上的文章的首席作者。
當這四重影像逐漸消失，天文學家預測他們將獲得再次觀察到超新星重新出現的罕見機會。這是因為目前的四張影像樣式只是透鏡效應展示的一部分。超新星可能在20年前在某個星系群裡以單一影像的形式出現過一次，並在未來五年內再重新出現。
這一預測是基於這一星系群的計算機模型，後者描述了超新星光線通過星系群裡暗物質迷宮的不同方式。每一重影像都採取了不同路徑穿過星系群並在不同時間到達，後者部分是源於光線經過路徑的長度差異。例如，哈勃捕捉到的四重超新星影像出現時間相距幾天或者幾周。
超新星不同的光線路徑類似於幾輛火車同時從一個車站出發，它們會以相同的速度行駛，並將到達相同的目的地。然而，每輛火車都會採取不同的路線，且每條路線的距離是不同的。有些火車會翻過高山，有些穿過峽谷，有些繞著山區盤旋，它們並不會同時到達目的地。類似的，超新星的影像也不會同時出現，因為有些光線會因星系群裡密集物質引力產生的彎曲而導致延遲。
「我們建立的星系群內的暗物質模型為我們提供了下一重影像出現時間的預測，因為它告訴了我們每一條火車的行駛距離是多少，而行駛時間是與行駛距離有關的。」 帶領FrontierSN小組的美國馬裡蘭州巴爾的摩約翰斯·霍普金斯大學的史蒂夫·羅德尼(Steve Rodney)解釋說：「我們已經錯過了第一重影像——我們認為它出現在20年前，這四重影像在出現時恰好被我們觀測到。更令我們感到興奮的是，我們預測未來還將出現一個影像，而我們很可能可以捕捉到。我們希望屆時再利用哈勃太空望遠鏡進行觀測，我們將密切關注下一次影像出現的時間。」
測量影像之間的延遲將提供超新星光線經過的時空扭曲類型的線索，同時幫助天文學家更好的修改繪製星系群質量的地圖。「我們將測量時間延遲，將這些數據返回模型並與光線路徑的模型預測進行對比。」我們的透鏡建模科學家——例如研究小組成員、加州帕薩迪納市加州理工學院的阿迪·齊特林（Adi Zitrin）——將可以調整他們建立的模型以更精確的再造暗物質地形。
在對GLASS研究小組的數據進行例行檢查時，凱利在2014年11月11日觀測到爆炸恆星的四重影像。FrontierSN和GLASS小組自2013年起就在搜尋這樣高度放大的爆炸，而這一天體是他們最壯觀的發現。這一超新星比平時的自然亮度要明亮20倍，這主要是兩個重疊透鏡的結合效應所致。主要的透鏡效應來自巨大的星系群，它將超新星的光線至少分散至是三條單獨路徑。第二級透鏡效應發生於當其中一條光束通道恰好與星系群裡特定的橢圓星系精確對齊時。「這個星系裡的暗物質將光彎曲並重新聚焦到另外四條路徑上。」羅德尼解釋道。「從而產生了我們所觀察到的罕見的愛因斯坦十字樣式。」
這兩支研究小組花費了一周時間分析天體的光線，從而證實了它的確是超新星的特徵。接著他們利用夏威夷莫納克亞山上的凱克天文臺測量超新星宿主星系的距離。天文學家將這顆超新星取名為雷夫斯達爾（Refsdal），以紀念已故的挪威天文學家舒爾·雷夫斯達爾（Sjur Refsdal）。他在1946年最早提出利用超新星因引力透鏡而導致的時間延遲影像來研究宇宙的膨脹。「從那時起，天文學家就一直在尋找這樣一顆超新星，」GLASS項目首席科學家、美國加州大學洛杉磯分校的託馬索·特雷烏（Tommaso Treu）這樣說，「現在這一漫長的等待終於結束了！」（編譯/嚴炎劉星）