引力透鏡，將超新星一分為四！

一顆恆星爆炸，卻在哈勃望遠鏡裡留下了4個超新星影像。這不是魔法，而是引力透鏡創造的幻像。圖片來源：NASA/ESA

利用美國航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope），天文學家第一次拍到了一顆正在爆炸的遙遠恆星的4個不同的影像。這4個影像排布成一個十字架的形狀，這是因為爆炸恆星發出的光被前景星系團中一個星系的強大引力掰彎了。報道這一發現的論文發表在3月6日出版的《自然》雜志特刊上，以慶祝愛因斯坦的廣義相對論提出整整100年。

天文學家原本是在觀測距離我們超過50億光年的一個大質量橢圓星系，以及它所在的星系團MACS J1149+2223，結果他們卻看到了這樣一個奇特而又罕見的場景。這個星系以及星系團巨大的質量，將來自它們背後遙遠得多的一顆超新星發出的光掰彎了，使這顆超新星產生了4個分離的影像。由於這種引力透鏡效應，這些光被放大並被扭曲，結果便在這個橢圓星系周圍產生了這樣4個影像，構成了所謂的「愛因斯坦十字」（Einstein cross）。

盡管天文學家已經發現了幾十個星系和類星體的多重影像，但在此之前，他們還從未看到過一顆超新星的多重影像。

「當我看到這個星系周邊的4個超新星影像時，我真的大吃了一驚——這完完全全是個意外驚喜。」這篇論文的領銜作者、美國加利福尼亞大學伯克利分校的帕特裡克·凱利（Patrick Kelly）如是說道。他是「空間棱鏡放大巡天」（GLASS）合作項目的成員，正是在檢索GLASS團隊數據時發現了這顆超新星。目前，研究團隊正在合作分析這顆超新星的多重影像，那顆恆星爆炸發出的光花了90多億年才傳到了我們這裡。

「這顆超新星看上去要比原本的亮度超出大約20倍。」論文合作者、丹麥暗宇宙學中心的延斯·約爾特（Jens Hjorth）解釋說，「這是兩個引力透鏡重疊之後的綜合效果。這個大型星系團將這顆超新星的光聚焦到至少3條不同的路徑上，然後這些光路中的一條又恰好與星系團中的一個橢圓星系精確對齊，產生了第二重引力透鏡效應。」與這個橢圓星系相隨的暗物質彎曲了光線，並將它重新聚焦成另外4條光路，這才形成了研究團隊觀測到的罕見的愛因斯坦十字。

恆星爆炸發出的光在途中被星系團的引力扭曲聚焦成3條光路，其中一條又恰好從一個橢圓星系中穿過，才形成了哈勃望遠鏡觀測到的愛因斯坦十字。點擊查看動圖。圖片來源：ESA

這項獨一無二的觀測，將幫助天文學家進一步修正他們對於透鏡星系及星系團中暗物質總量和分布的估計。宇宙中的暗物質要比可見物質更多，但暗物質極其難以捉摸，只有它們施加於可見宇宙的引力效應透露出了它們的蹤跡，因此星系或者星系團的引力透鏡效應為其中包含多少暗物質提供了重大線索。

隨著爆炸漸漸平息，這4個超新星影像也會逐漸暗淡直到消失不見。在此之後，天文學家將擁有千載難逢的良機，等著看這場爆炸再重放一遍。這顆超新星的多個影像並不是同時抵達地球的，對於每個影像來說，光所經歷的路徑都是不同的。每條路徑又會沿途經過不同的物質，既有暗物質，也有可見物質。這些都會導致光路彎曲，因此每條路徑光線抵達我們的時間都會有所不同。利用這個星系團中暗物質總量及其分布的模型，天文學家能夠預言下一個影像會在什麼時候出現，再利用他們觀測到的時間延遲來更准確地修正物質模型。

「哈勃望遠鏡拍攝到的4個超新星影像是在幾天或者幾周的時間內陸續出現的，我們在它們出現之後才發現了它們。」美國約翰斯·霍普金斯大學的史蒂夫·羅德尼（Steve Rodney）解釋說，「不過，我們認為，這顆超新星的一個影像或許早在大約20年前，就曾在這個星系團的某個位置出現過，並且更讓我們興奮的是，未來1－5年之內預計還會有一個影像再次出現——我們希望到時候能夠當場抓住它。」

這顆超新星現在被暱稱為雷夫斯達爾（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，利用超新星被引力透鏡放大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、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的托馬索·特雷烏（Tommaso Treu）說，「現在，漫長的等待終於結束了！」