引力透镜为2015年带来了最珍贵的照片

就在几天前（2015年12月17日）NASA公布的照片受到了高度关注。今年是伟大的科学家、思想家爱因斯坦完成广义相对论整整100周年，NASA公布的这张照片把纪念活动推向高潮并划上了完美的句号。12月11日，哈勃空间望远镜在科学家预测的特定方位和确切的时段里捕捉到了宇宙深处难得一见的超新星爆发过程。科学家进行分析和预测的基本理论就是广义相对论，整个项目也涉及到星系团天体物理、超新星及暗物质等多个专业领域，物理意义极为重要，所以这张照片应该被评为本年度最为珍贵的照片（没有之一）。如果有人不认同我的观点，要给我带上“标题党”的帽子对我口诛笔伐，我也没有意见，但条件是必须坚持读毕全文，我的承诺是在本文中尽量使用浅显的语言，并保证不夾带任何数学公式，这够公平了吧？

故事得从2014年11月10日说起，哈勃望远镜在当时获得了一颗超新星的四个景象，详见图一中箭头指示的四个黃色亮点。这四个亮点是同一颗超新星 SN Refsdal 在空间产生的四个重复的景象，这和照相机的低劣镜头引起多重成像非常相似，问题是太空中哪里有光学镜头呢？

图一：超新星 SN Refsdal 在空间产生的四个重复的景象，2014年11月。

看了下面的照片就容易理解了，位于地球外层空间的哈勃望远镜（图二的左下角）正在观察研究右上角遥远星系中的一颗超新星SN Refsdal[1]。这颗超新星的光线要通过方框中的星系团（ galaxy cluster MACS J1149+2223 ）方能到达哈勃望远镜。该星系团中的许多质量巨大的星体和暗物质产生强烈的引力场，光线通过它们时就被扭曲偏转就如透过玻璃凸透镜一样，物理学家把这种现象称为引力透镜。

图二：引力透镜的简单图解。

从超新星SN Refsdal出发的光线被星系团引力场偏转成三组，其中第三组在进入星系团内部的一个椭圆星系后其四束光线被其中的引力场再一次偏转，形成超新星的四个景象，详见图二下部放大后的细节。这就是哈勃望远镜在去年十一月拍摄到的图片。需要注意的是，这不是一颗超新星裂成四块，它们是超新星SN Refsdal完全相同的四个景象。假设把这颗超新星换成一棵相同大小和同等亮度的圣诞树，那么经过引力透镜我们会在太空中看到完全相同的四棵圣诞树。

实时观察到超新星爆发过程已经非常难得，而能看到超新星的四个景象则更为不易，但更重要的是透过现象，科学家对这个星系团（MACS J1149+2223 ）内部的结构和引力透镜的作用机理有了更为深入的了解。在此基础上经过进一步的分析计算，他们认为应该还有两组光线会通过不同路径到达地球附近，由于路径的长途不同，它们到达地球的时间也有先后。除了前文提到的第三组以外，其中第一组光线应该早在20前就可以被观察到，可惜这已成过去，这里就不作讨论了[2]。最重要的是第二组光线，经认真反复计算，确认它们应在今年十二月到达地球附近，并于明年（2016年）的年中到达亮度的高峰，由这组光线构成的这颗超新星的景象在太空显现的确切位置也被计算了出来。于是从今年十月起，哈勃望远镜受到新的指令开始聚集星系团（MACS J1149+2223 ），天体物理学家们及相关人员都在等待激动人心的一刻。终于在十二日十一日哈勃望远镜传来了这张今年最为珍贵的照片（见图三）[3]。

图三：2015年12月11日哈勃望远镜传来了这张今年最为珍贵的照片。

需要再次指出，这个在不同位置不同时间看到的两个景象实质上是完全相同的一颗超新星，由于阻挡在超新星前面的星系团的引力透镜效应，使得观察者前后两次在不同的方位上看到了同一颗超新星的爆发过程。如果我们不考虑观察物大小和亮度的限制，把一个产妇的放在超新星位置上，经过以上相同的引力透镜我们在天体不同的方位上看到同一个嬰儿前后落地诞生了两次，这不是录像重播，而是同一真实物理事件在不同地点被先后观察到两次！“花儿凋谢不再开，光阴一去不再来。”这句谚语不是绝对正确的，即使是那同一朵花儿凋谢后还可在别的方位上被观察到再次含苞待放，天体中的引力透镜就能产生这样的物理效果。

这项科研充满了戏剧性，科学家在历史上首次事先预告了超新星出现的方位和显示的正确时间，这颗遥远的超新星竟然在规定的地点和规定的时间里出现在哈伯望远镜里，超新星被科学家双规了！其背后的科学意义非常重大。我们至少可以把它们归结为以下三个方面。

第一是对引力透镜[4]有了更深入的研究和了解。按广义相对论的描述大质量天体必然导致周围时空的畸变，光线穿行时沿弯曲空间的短程线转播而引起弯曲，因而对其背后的天体发出的光线起了凸透镜的作用。而去年11月10日看到的这颗超新星经过引力透镜后生成四个景象又被称为爱因斯坦十字（Einstein Cross），是引力透镜效应最著名的例证之一。由此可知广义相对论对引力的描述更为完整精确。

第二是加深了对暗物质的了解。没有暗物质的参与，该星系团（MACS J1149+2223）构成的引力透镜不足以造成我们观察到的这些现象。科学家在构建计算模型时已经加入了暗物质的因素。通过此番多次的预测、观察和校正，让研究人员对暗物质在星系团内的比例和大致分布有了更深入的认知。事实上该项研究远末结束，研究人员正继续跟踪这颗超新星SN Refsdal，观察它高峰期的亮度和光谱特征，以进一步验证他们已有的模型和计算程序，他们还要面对更多更难的工作。

第三是对超新星有了更深的研究。超新星（英文名：SuperNova）不是一颗新的星，超新星就是一顆爆炸了的恒星，它是大质量恒星演化后期的必然产物。进入老年期的恒星在其核燃料渐渐耗尽后，它不能产生足够的热量来平衡自身巨大的向心引力，从而导致恒星本体向中心急剧的坍缩。这种快速急剧的引力坍缩把恒星内部一切物质紧压成高温高压状态，最后点燃新一轮更为激烈的热核反应。“鸟之将死，其鸣也哀；星之将尽；其状亦美”，恒星归葬时的礼花常常会比一亿个太阳还亮，在恒古的长夜中可维持几天甚至数月之久。对于遥远的星球上的观察者它就如同一颗突然诞生的明亮而又短命的新星，因而称之为超新星。超新星维持的时间短，而且多数离开我们太遥远亮度不够，所以实时观察到它们非常不易。这颗SN Refsdal虽然离开我们极为遥远（90亿光年外），但因为引力透镜的聚焦效应，大大加强了到达地球时的亮度，而且引力透镜效应使得我们又有了不止一次的观察研究的机会，这对于超新星的研究十分有益。

总而言之，这项科研意义重大，又极富戏剧效果。预言SN Refsdal重现的论文我觉得真是牛得可以，我把论文结论的第六点直接抄录于下，请诸位自己判断吧。

6. All models predict that an image of ‘Refsdal’ will appear near the SX/1.2 location between the submission of this paper and the beginning of 2016. The most likely time for the peak is the first trimester of 2016. Given the long light curve of ‘Refsdal’ and the predicted brightness of SX/1.2, the image could be visible as soon as MACSJ1149.5+2223 is visible again by HSTWFC3 at the end of October 2015.

科学的真正意义不仅是解释宇宙中千变万化的复杂现象，更重要的是从中发现规律，并由此作出常人经验之外的惊人预言。这才是科研的目标，这样的论文才能使人心服。

论文的全文链接http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/heic1525b.pdf

T. Treu是论文的第一作者也是该项目的负责人，他是我母校UCLA天文物理系教授，应该也算是我的同系同事吧（不过我退休时他还没有加入我系教职梯队，我又在为自己脸上贴金了。）但他的团队中有好几位来自中国的学者和学生，他们至少是我的同胞和同事吧，这样一想我还是很高兴，我为他们出色的工作倍感自豪。

致谢：
全部图片来自NASA和ESA。
上星期四当NASA的有关研究成果报导一岀来，我的好友王博士立即于第一时间通知了我，并对此新闻的科学价值作了初步评估。我把手中所有其它工作略作处理后就暂放一边，全时日投入对本专题资料的收集整理和阅读消化。其间多次半夜启动热线电话就有关疑点向王博士请教，严重影响了他正在专注的研究工作，在此一併致谦和道谢。他还鼓励我应就此专题再写续篇，把理论和技术问题作较深层次的介绍，这大概也可算是我的 New Year's resolution吧，不过历年来我的新年期望常常是：“恋树湿花飞不起，愁无比，和春付与东流水。”明年又能有什么不一样呢？

我年初写有一篇“超新星SN185与后汉书”的博文，有兴趣的可以一读。

[1]超新星Refsdal以挪威天文学家Sjur Refsdal命名，以记念他早在1964年提出用超新星经引力透镜成像的时间延迟来研究宇宙膨胀。

[2]虽然第一组光线到达地球的时间在二十年前，已经丧失实时观察机会，但天文物理有关机构应有过去太空的档案照片。但经分析计算，由于第一组光线过于微弱，应该无法留下景象纪录，这一点与档案照片核对结果一致。

[3]图三是经艺术加工后的宣传照片，这里是学术报导中的照片供比较参考。

图四：下图摄于2011年，什么也看不见；中图摄于2015年4月，超新星SN Refsdal展现四个完整景象（分别为S1-4），亮度至高峰；上图摄于2015年，在SX（New Image）处发现SN Refsdal的新景象，原先的四个景象S1-S4淡出视野。

[4]引力场源对位于其后的天体发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应。因类似凸透镜的汇聚效应，因而得名。引力透镜效应是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，使光线在大质量天体附近发生弯曲（光线沿弯曲空间的短程线传播）。如果在观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体则在光源的两侧会形成两个像，就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样，这种现象称之为引力透镜效应。对引力透镜效应的观测证明阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论确实是引力的正确描述。 详见百度：http://baike.baidu.com/view/50113.htm

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