“星”归来

作者: 舒轶平

来源: 中国科学院紫⾦⼭天⽂台

发布日期: 2023-01-26 12:06:31

本文介绍了强引⼒透镜效应及其在宇宙学中的应用,特别是如何通过这种效应观测超新星爆发,以及这一现象对研究宇宙膨胀和超新星早期性质的重要科学价值。

不知道⼤家有没有过这样的体验,⾯对陌⽣的事情或者场景,会突然觉得似乎在以前经历过,甚⾄还能预测下⼀秒会发⽣什么。这其实源⾃⼀个叫做“既视感”的⽣理现象。统计表明,⼤约三分之⼆的⼈有过⾄少⼀次这种感到似曾相识的经历。有意思的是,宇宙中也存在⼀类和既视感⾮常相似的现象,我们可以借助⼀种被称为强引⼒透镜的效应,多次看到同⼀件事情的发⽣。

强引⼒透镜是背景天体发出的多束光线在前景天体的引⼒作⽤下发⽣偏折从⽽汇聚形成多重像的现象。由于它和光学透镜⼗分类似,因此被称为引⼒透镜,其中前景天体被称为透镜体,背景天体被称为源。

在强引⼒透镜系统中,多重像之间的相对时间延迟是这两类时间延迟的叠加,通常可以达到天⾄年的量级。正是由于这⼀时间延迟效应,强引⼒透镜成为了⼀个等效的时光机,我们所看到的多重像并⾮来⾃同⼀时刻,⽽是对应源在不同时刻的图像。

当然,想要观测到这⼀时间延迟,源不能是⼀成不变,⽽应该是处于变化中的。超新星就是⼀类常⻅的变源,虽然从字⾯意思看这个名字表示新出现的恒星,但是超新星的本质和新诞⽣的恒星恰恰相反,它实际上是恒星在死亡前最后的绚烂。

2014年,⼈类第⼀次观测到了超新星作为源的强引⼒透镜事例。美国明尼苏达⼤学的帕特⾥克·凯利教授和他的合作者在分析⼀个名为MACSJ1149.6+2223星系团的历史数据时,发现2014年11⽉拍摄的图像中,⼀个星系的周围出现了四个点,它们在之前拍摄的图像中并不存在。后续的观测证实,这四个点是同⼀颗超新星被星系透镜偏折所形成的四个像。

除了视觉上的冲击,强引⼒透镜的时间延迟效应还有着重要的科学价值。⼀⽅⾯,我们可以通过测量时间延迟,来计算源和透镜体离我们的距离,⽽知道天体的距离将能帮助我们判断宇宙是如何膨胀的,这其实是当前天⽂界的⼀个研究热点。

另⼀⽅⾯,时间延迟提供了⼀个研究超新星爆发早期甚⾄是未爆发前相关性质的机会。理论⼯作表明,超新星爆发极早期(⼤约15天以内)的性质可以帮助有效地判断超新星的前身星。

但常规超新星的爆发具有不可预测性,现有的关于超新星极早期性质的观测完全是凭运⽓,相关的研究屈指可数。对于强引⼒透镜超新星,我们可以在观测到最先到达的像之后,通过建模来预测后续的像会在什么时间出现在什么位置,从⽽安排相应的观测,记录下超新星爆发的全过程。

美中不⾜的是,由于强引⼒透镜和超新星都是⾮常罕⻅的现象,⽬前已知的强引⼒透镜超新星仅有五例。不过,这⼀局限有望在不久的将来发⽣彻底的转变。国内外正在筹备的多个新⼀代巡天项⽬将能看得更⼴更深,具备每年发现⼗例左右强引⼒透镜超新星的能⼒。例如,我国的巡天空间望远镜项⽬和中国科学技术⼤学-紫⾦⼭天⽂台2.5⽶⼤视场巡天望远镜项⽬。

让我们期待更多的强引⼒透镜超新星事例被我国⾃主研制的望远镜所捕获。届时,希望我们能再次相聚在这个平台,共同体验⼀段段奇妙的时间旅⾏!

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