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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    一顆恒星的死亡直播

                    2017-05-31 11:22:00

                     

                    1915年,偉大的阿爾伯特·愛因斯坦提出了現代物理學的奠基之作——廣義相對論。 其中,愛因斯坦預言了一種現象——由于時空在大質量天體附近會發生畸變,使光線在大質量天體附近發生彎曲(光線沿彎曲空間的短程線傳播)。如果在觀測者到光源的視線上有一個大質量的前景天體,則在光源的兩側會形成兩個像,就好像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣,而這種現象就被稱為引力透鏡效應。

                    當光在星系、星系團及黑洞等具有巨大引力的天體附近經過時,會像通過凸透鏡一樣發生彎曲,根據變化了的光線在光譜外波段呈現的不規則程度,我們就可以推算出發光星系的年齡和距地距離。

                    隨著科學技術的不斷發展,人類對引力透鏡效應的實際觀測證明,愛因斯坦的廣義相對論確實是關于引力的正確描述。

                    引力透鏡打造的星空電影院

                    在某些情況下,起引力透鏡作用的天體是一個星系,它對光的彎曲作用能產生類星體或其他星系等更遙遠天體的多重像。 有些天文學家認為,多達2/3的已知類星體可能由于引力透鏡效應而增加了亮度。

                    而在遙遠的宇宙深處,星系團導致的引力透鏡還有很多很多,它們是天文學家最喜愛的觀測目標。 天文學家常常會對著宇宙邊緣的引力透鏡凝視,引力透鏡能把遠處的星光呈現在他們眼前,讓他們看到本來無法觀測到的宇宙邊緣,這是一幅靜態卻又絕美的景觀。

                    然而,天文學家并不滿足于此,他們還想通過引力透鏡看到更多的景象,比如超新星(恒星演化過程中的一個階段)。超新星爆發是某些恒星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸,此時它會突然增加萬倍的亮度。即便如此,人類也只有在引力透鏡的作用下才能看到。 引力透鏡還會呈現出一個超新星的幾個幻象。由于星系團由多個星系組成,結構復雜,光線會經過多次折射,超新星就會出現好幾個幻象,讓人們以為看到了好多顆超新星。

                    不過,無論是超新星還是它們的幻象, 都仍不足以勾起天文學家的全部激情,他們希望看到奇跡,看到由引力透鏡播放的一本來自宇宙深處的電影——超新星爆發的完整過程。

                    盡管愛因斯坦早在100多年前就提到引力透鏡的存在,但人類直到最近幾十年才證明了它的存在。 而在近幾年,科學家已經發現了形形色色的引力透鏡。 如今,他們更是找到了真正能為人類呈現宇宙深處故事的引力透鏡——星系團 MACS J1149+2223,它是最高級的引力透鏡,滿足了天文學家的心愿——能夠像播放電影般敘述宇宙的故事。

                    雙重引力透鏡打造愛因斯坦十字架

                    星系團 MACS J1149+2223位于宇宙深處,距離我們足有50億光年。它充當了引力透鏡,能把90億光年外的雷夫斯達爾超新星(Refsdal)呈現在我們眼前。 當這顆超新星出現時,經過星系團 MACS J1149+2223引力透鏡效應的作用,會發生巨大的改變,呈現出4個幻象。 4個幻象基本上處于對立的位置,就像是一個十字架,是引力透鏡效應最著名的例證之一,被稱為愛因斯坦十字架。

                    多年前,科學家發現了各種各樣的引力透鏡,其中就有愛因斯坦十字架。 1985年,地面望遠鏡發現了一例著名的愛因斯坦十字架引力透鏡G2237+0305,這是一顆類星體的4個幻象。1999年,日本8米光學望遠鏡拍攝到了類星體 PG1 1 15+080的四重像,前置天體是一個距離地球30億光年的橢圓星系,遠方天體距離地球80億光年。 20004月,錢德拉空間天文臺拍攝到類星體H1413+117 的四重像,位于牧夫座,也是一個愛因斯坦十字架。 3個十字架都是類星體的十字架。

                    直到2015年,雷夫斯達爾超新星產生的十字架在名為 MACS J1149+2223的星系團中出現,人類才發現了第一個超新星產生的十字架。 天文學家表示,如果僅僅是一個星系團,它應該沒有能力“幻化”出愛因斯坦十字架,但由于 MACS J1 149+ 2223是一個巨大的橢圓星系,且位置合適,才讓遙遠的超新星出現了4 個幻象。

                    可喜的是,人類發現的第一個由超新星產生的十字架就不是一個簡單的引力透鏡,它表現的是雙重引力透鏡現象。首先,雷夫斯達爾超新星在遙遠的宇宙邊緣爆發,被橢圓星系放大,出現在橢圓星系中,橢圓星系起到了第一重引力透鏡的作用。 第二重引力透鏡就是星系團 MACS J1 149+2223,它把第一重引力透鏡中出現的場景連同引力透鏡本身再一次放大,從而出現在我們眼前。 經過這兩次放大,雷夫斯達爾超新星呈現出的亮度提高了20倍。

                    星系團 MACS J1149+2223忠誠無私地把它看到的橢圓星系呈現在人類眼前,至于愛因斯坦十字架,純粹是它無意之中打造的完美作品,這需要地球、星系團和橢圓星系三者都處于合適的位置及角度時才會出現。

                    殊途同歸

                    這一極其罕見的現象,將幫助天文學家研究 MACS J1149+2223星系團的總質量,尤其是這個星系團中的質量分布情況。 更加難得的是,它們還將幫助我們尋找暗物質??茖W家推測,暗物質在宇宙中占比超過96%,而引力透鏡現象能讓它們無處藏身,至少也能為人類尋找暗物質提供重大線索。

                    天文學家在討論愛因斯坦十字超新星幫助我們了解宇宙暗物質的同時,還有人提出了另一個重要的想法——引力透鏡將會成為星空影院,幫助我們觀看超新星爆發的整個過程。

                    在穿過透鏡來到我們眼前時,超新星行進的路線極為復雜,尤其是經過透鏡時, 它甚至經過了好幾條路線。 畢竟這個透鏡非常復雜,它是一個星系團, 既有物質稠密的空間,也有空無一物的地區。

                    不同的路線決定了不同的路程,因此4個幻象呈現在我們眼前的時間也會不同。 哈勃望遠鏡拍攝到的4個超新星影像就是在幾天或者幾周的時間內陸續出現的,并非同時出現,第一個和第四個圖像的出現時間間隔了大約26天。 同時,天文學家根據在橢圓星系一條旋臂上觀測到的第一個超新星幻象,成功預測了超新星也會出現在其他幻象的旋臂上。 不僅如此,科學家還進一步得出結論:在未來的某個時刻,雷夫斯達爾超新星還會再次出現在這個引力透鏡的某個未知部位。 它出現的時候,就會像播放電影那樣,為人類演示爆發的全過程。

                    不知上映時間的電影

                    雖然這部“電影”經過兩重引力透鏡才傳送至我們面前,內容必然會有些失真,但對于科學家而言已經十分寶貴。 在“電影”播放的這段時間內,他們會研究超新星爆發的整個過程,觀測它的光度變化, 以及光學波段之外的電磁波變化。

                    超新星爆發往往會持續幾個星期, 因此這部宇宙“電影”的時長也大致為幾個星期。 雖然天文學家已經通過引力透鏡,觀看了4遍雷夫斯達爾超新星爆發的電影,但他們仍不滿足,依舊選擇靜靜等候,等待觀看星系團MACS J1 149+2223播放的下一場“電影”。當然,沒有人能預測下一場“電影”會在什么時候開播,也許就在不久之后,也許還要我們等待幾年。

                    “電影屏幕”在50億光年之外,主角卻距離我們有90億光年。 當雷夫斯達爾超新星爆發的光經過雙重引力透鏡,在星系團 MACS J1149+ 2223這塊屏幕上再次出現的時候,天文學家一定會歡呼慶祝。如果要給這部“電影”起個名字,應該就是《一顆恒星的死亡重播》。

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