我们将在数年后再次看到同一颗极遥远的超新星

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2015-03-13 14:14:31 | 作者:Patrick Kelly等 | 来源:哈勃官网 | 浏览:2723次 ]

原文标题:Hubble Sees Supernova Split into Four Images by Cosmic Lens

原文作者:Patrick Kelly,Steve Rodney,Jens Hjorth,Tommaso Treu;Georgia Bladon,Donna Weaver,Ray Villard

来自:哈勃官网; 发表时间:2015.3.5

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

2015.3.5:三叶植物极为常见,草地、森林、花园中到处都是;但四叶植物就很罕见了,发现它需要幸运。宇宙也是这样,借助NASA和ESA合作的哈勃太空望远镜,天文学家发现了宇宙中的四叶植物——被引力透镜分为四个像的遥远超新星。产生该现象的前景星系是一个大型星系团中心的巨椭圆星系,而十字形的四个像被称为爱因斯坦十字(架)。来自巨椭圆星系以及其所在星系团的强力引力,放大了后方遥远超新星的像,此现象称为引力透镜。该星系团编号MACS J1149.6+2223,离地球约50亿光年(红移z=0.54),而超新星则远在93亿光年外(红移z=1.49)。


哈勃拍摄的极遥远超新星的像,以及前后出现说明。大图:29.5MB,版权:NASA,ESA,研究者团队,下同。

这是哈勃拍摄的巨型星系团的中心区域,配色是多波段伪彩着色的结果。因为距离遥远,曝光波段都偏向红端。其中哈勃高级巡天相机(ACS)的广域通道(WFC)在光学、近红外波段曝光, 606nm(纳米)的橙光,814nm的近红外光、配色蓝;哈勃第三代广域相机(WFC3)在近红外波段曝光,其中1.05、1.25微米的近红外光,绿;1.40微米、1.60微米的光,配色红。

借助美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜(HST),天文学家发现一颗遥远超新星被引力透镜效应分为四个像。产生该现象的前景星系是一个大质量星系团中心的巨椭圆星系。

这个独特的观测有助于天文学家提高对该星系团中暗物质分布的估算。因为暗物质完全不参与电磁相互作用,它完全看不见,但却构成了宇宙质量的主要部分。

来自巨椭圆星系以及其所在星系团的强引力,放大了后方遥远超新星的像,此现象称为引力透镜。该现象就像玻璃透镜能够放大、扭曲其后方委托的像一样,由阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)首先预言(广义相对论中的著名预言之一)。椭圆星系所造成的四个像呈十字形排列,被称为爱因斯坦十字(架),该名称最初是给予一个特别类星体所形成的四个像的,类星体是极遥远活动星系的明亮核心。

当前哈勃拍摄的引力透镜的形成的四个超新星像。

巨椭圆星系所在的星系团编号MACS J1149.6+2223(数字代表巡天项目中的相对坐标,译注),离地球约50亿光年(根据PDF报告,红移z=0.54),而超新星则远在93亿光年外(红移z=1.49)。

虽然天文学家已经见识过数十个星系、类星体形成多个像(主要通过光谱分析确定是同一个星系,译注),但他们还从未见到过一个超新星多次爆发。光栅引力透镜放大空间巡天项目(缩写GLASS,正好是玻璃的意思,译注)成员、加州大学伯克利分校的Patrick Kelly解释说:“当看到环绕星系的这4个像时我都懵了——它实在太惊人了!” GLASS工作组与哈勃前沿场项目超新星团队合作,一起分析这颗爆发恒星。凯利(Kelly)也是研究报告的首席作者,而报告将发表在2015.3.6出版的《自然》特别专刊上,以纪念爱因斯坦的广义相对论发表一百周年。

随着这4个像逐渐暗淡,天文学家作出惊人预言,我们将罕见地再次看到这颗超新星的回归!这是因为,我们仅在超新星所在星系的一个像中看到了它。超新星可能在20年前,出现在宿主星系的另一个镜像中;而我们有望在5年内的第三个镜像中,再次看到这颗超新星。
本预言基于计算机对星系团质量分布的模拟。因为超新星发出的光在通过星系团暗物质组成的迷宫时,所走的光路不同,结果到达地球的整个旅程的长度就不同(对于亿万光年的长度而言,几光年是很小的差别,译注),最后费时自然也不同。地球上不同时段的哈勃图像,就会记录下这些不同光路的抵达时间,而每次超新星都会显示几天或几周。
超新星的不同光路,就像两地之间的不同班车,它们在同一时间出发、时速相同、目的地也相同,但经过的铁路路线不同:有的经过丘陵,有的经过山谷,还有的要绕着山走。因为这些路线的地形不同、路线长度不同,各列班车抵达终点的时间自然不同。同样的,超新星的光经过星系团时,因为星系团中暗物质的密度不同,有的光路被弯曲延误了,就比弯曲程度小的更慢抵达地球。

引力透镜的三个光路分析。大图:1.5MB

哈勃前沿场项目超新星研究团队领队、马里兰州巴尔的摩市约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的Steve Rodney解释道:“我们的星系团中暗物质分布模型能够预言下次超新星图像出现的时间,因为该模型能告诉我们每条光路的长度,并由此与旅行时间相对应。我认为,我们已经错失了20年前超新星的第一次呈现,而我们发现的四个像也已经出现一段时间了。但预言还是很令人期待的,因为我们很可能再次看到它的爆发。我们希望继续用哈勃监测该天区,我们将持续地观测,以看到预期中的图像再现!”
测量图像间的延时将提供线索,分析超新星光路经过天区的时空扭曲程度,帮助天文学家微调模型,绘制更精确的星系团物质分布图。Kelly继续解说:“我们将测量延时,然后与模型预言比较的光路相比较。那些引力透镜模型,比如我们团队成员、加州理工学院的Adi Zitrin提供的那个,就会得到修正而变得更精准,然后再次绘制暗物质(导致光路扭曲的主要成分)的分布图。”

2014.11.11,当Kelly在进行GLASS团队的例行数据处理时,注意到了这个形成4个像的超新星。从2013年起,前沿场超新星团队和GLASS团队合作搜寻此类被大幅增亮的超新星,本例在其中特别具有典型性。基于两个前后重叠的引力透镜效应,超新星的光大约增亮20倍。其中起主要作用的是星系团的强引力透镜,它使得后方宿主星系的光至少形成3条光路;起次要作用的是其中一条光路恰好与星系团中心的巨椭圆星系在同一个视线方向。Rodney接着解说:“这个椭圆星系中的暗物质放大图像,并使得光路重新聚焦为4个像,产生了我们现在看到的罕见的爱因斯坦十字。”

两个团队花费一周时间分析光路,确定它来自同一颗超新星。然后他们借助夏威夷莫纳克亚峰(Mauna Kea)的凯克望远镜,测量宿主星系的距离这(分析光谱红移)。

天文学家把此超新星昵称为Refsdal超新星,以纪念挪威天文学家Sjur Refsdal,他于1964年首先提出可通过观测引力透镜对超新星图像的延时效应来研究宇宙的膨胀速率。GLASS项目首席研究员、加州大学洛杉矶分校的Tommaso Treu感概道:“自此以来,天文学家就在寻找这样的案例,我们已经等得太久!”

哈勃前沿场项目是一项历时三年的哈勃大型项目,将借助6个巨型星系团的引力透镜效应,同时探索星系团内部及其背后的遥远宇宙。在三年间,前沿场超新星团队将研究出现在星系团视场及GLASS巡天项目中的超新星。GLASS项目借助哈勃的独有能力研究极端遥远的超新星,它们被十个选定的巨型星系团的引力透镜所放大,其中就包括前沿场项目中的6个超星系团。

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