52倍亮的標準燭光

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52倍亮的標準燭光

天文學家首次通過引力透鏡觀察到了一個Ia型超新星。通過已知的超新星爆發光度能直接確定引力透鏡的強度，因此不再需要複雜的模型計算。

Ia型的超新星可以說是一個幾近完美的標準燭光。因為它們的絕對光度十分的相似。從這個已知的數值和實際測量的光度就能知道它們距離地球的距離。

天文學家們認為，它們幾乎相同的光度與其爆發機制有關:當一個白矮星爆發，它會與另一個白矮星合併，或者在雙星體統中與一個正常的恆星進行物質交換，由此點燃。與其它的超新星爆發不同，Ia型超新星在爆發後會被熱核反應徹底毀滅。由於Ia型超新星的標準燭光的性質，在上個世紀90年代末為宇宙的探索作出了巨大貢獻。該項成果獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

來自瑞典斯德哥爾摩大學的Ariel Goobar領導的國際研究小組在Ia型超新星的幫助下首次成功確定了引力透鏡的放大效果。2016年9月5日，在加利福尼亞州帕洛瑪天文台用1.2米望遠鏡發現了這個20星等的點狀目標。它與intermediate Palomar Transient Factory項目中的目標都不相同。它位於水瓶座位置里一個暗弱星系的中心附近，初步命名為iPTF16geu。10月初，光譜的研究確定其為Ia型超新星並更改命名為SN2016geu。

SN2016geu所在的星系的紅移令人驚訝:z=0.09。星系和SN2016geu距離我們有53億光年遠，在這樣遠的距離超新星應該會變得十分暗弱。除非目標本身十分的明亮，大約應是52倍的亮度。Goobar的團隊猜測這是因為引力透鏡的作用。若是引力透鏡沒有這種性質，那麼差異僅僅來自超新星預計和測量的光度的差異。

在2016年9月初，iPTF2016被發現。來自SDSS(Sloan Digital Spy Survey)的數據背景圖像顯示了其所屬星系SDSSJ210415.89-062024.7在其爆炸之前的位置，之後成為了甚大望遠鏡自適系統修正的路標。上圖是由帕洛瑪1.2米望遠鏡在658納米紅色R波段拍攝的模糊的超新星影像。下部的圖像是在2.19納米K波段由甚大望遠鏡的NACO相機運用自適系統所拍攝。雖然NACO相機的解析度更好，但是引力透鏡的圖像首先是由夏威夷Keck10米望遠鏡OSIRIS儀器在1.63微米的H波段獲得的。在圖上，透鏡星系，超新星以及其所屬的扭曲成環狀星系清晰可見。

引力透鏡是愛因斯坦廣義相對論的一個必然結果，在天文學中已經存在了數十年之久。對於SN2016geu的情況，天文家們認為，在地球與超新星之間必然存在一個星系，起到了引力透鏡的作用。它不僅將超新星的光度加強，還能其扭曲並形成多個影像。然而，帕洛瑪天文台的望遠鏡不能更詳細的呈現點狀的來源。因受到大氣的擾動，其解析度大約只有2角秒。因此，Goobar和他的同事們使用了夏威夷W.M Keck天文台的望遠鏡和智利的ESO甚大望遠鏡。這兩台望遠鏡都裝有自適應的光學原件。這種元件能修正大氣帶來的影響，從而呈現更清晰的影像。

事實上，特別是Keck的望遠鏡，分辨出了4個超新星的影像。4個影像的亮度略有不同，它們距離超新星所在的星系中心大約0.26-0.31角秒之間。它們的方位幾乎是90度，看上去就像一個十字架一樣。星系被強烈扭曲的圖像也能在圖中看到:透鏡外圍環狀的區域。

被放大的Ia型超新星

因此SN2016geu毋庸置疑的被確定為第一個引力透鏡的Ia型超新星。為了檢驗通常引力透鏡模型的準確性，科學家們通過使用引力透鏡的模型，對四張圖像分析得出的亮度增益係數結論進行了比較，透鏡星系視作一個均勻的170億倍太陽質量的橢圓星系。然而光度的預測與實際觀測之間差了3-4倍，顯然，這個模型過於簡單。

之後由哈勃太空望遠鏡在2016年10月底至11月初拍攝了解析度更高的圖像。超新星被引力透鏡扭曲成了4個圖像，這就是所謂的愛因斯坦十字。超新星大約在43億年前就爆發了，那時我們的太陽系還在搖籃里。作為引力透鏡的星系將超新星的光度加強了52倍，以至於它足夠亮而被我們發現。SN2016geu扭曲的所屬星系呈現出弧形的結構。

在一個現實的星系中，物質並不是均勻分布的，而是呈現顆粒狀的分布。恆星的分布結構和暗物質的分布也能產生微小引力透鏡現象。這反過來又會是光度發生輕微的改變，而不會產生多個影像。而且，在星系中可能存在星際塵埃，它們會吸收超新星發出的光。因為塵埃的數量和吸收光線的強度是未知的，所以無法直接的測量出星系的放大能力。考慮到星系不同的塵埃分布，整個星系對超新星的放大係數大約在4.1-4.8之間。

像SN2016geu這樣的多重超新星對於宇宙學意義非凡。通過精確測量光通過四個圖像的路徑到達地球所需的時間，天文學家可以確定一些宇宙係數——例如哈勃常數，同時這也可以側面印證宇宙大爆炸理論。

這個方法是挪威天文學Sjur Refsdal家在50年前提出的。在2014年首次觀測到的引力透鏡超新星就是以Refsdal的名字命名的。然而，與SN2016不同，超新星Refsdal屬於ll型超新星，因此不適合進一步研究。

原文載於《Sterne und Weltraum 》2017年第8期

作者：JAN HATTENBACH

德文翻譯：系外行星地瓜君

校譯：王坤

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

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