一颗超新星的爆发如何帮助我们测量宇宙

　　2015年5月1日，一群科学家预测我们会在今年十一月看到来自数十亿光年外的SP1149漩涡星系里的超新星爆发，这是人类第一次做出对超新星爆发的预测。原因很简单：新星爆发极端罕见而且难以预测，对于一颗比我们的太阳质量大8倍的恒星来说，超新星爆发就是它生命的终结。
　　超新星爆发
　　恒星的燃料耗尽后，星体向内坍塌，然后在接下来的剧烈挤压中，猛烈地爆发出来，此时超新星的光芒将堪比一整个星系，重要的是，它发出的光有一定的规律，它的光芒会持续数个星期，然后在几个月的时间内渐渐衰退。
　　但是超新星很少见，在一个拥有一千亿颗恒星的星系中，平均下来一个世纪也只有两次爆发，你可以观测星空试试看能不能选出将要爆发的恒星。幸运的是现在我们可以根据恒星的质量，亮度，和色温判断它的寿命，通过这些数据我们可以准确地判断出它所处的生命周期，但是对一个大恒星到底何时会爆发的预测还是有很大的误差。
　　以本星系的红超巨星Betelgeuse为例，它是超新星爆发的高危目标，科学家们认为，它可能的爆发时间是从马上到十万年之后。当它爆发的时候，会变得极为明亮，足以与日月争辉。
　　对于一颗恒星的时间尺度来说，十万年只是弹指一挥间，但是对于我们人类来说这和永恒也差不多了。因此对那些预测2015年11月的那次超新星爆发的科学家很难申请到使用哈勃太空望远镜在指定的时间拍摄SP1149星系的机会，幸运的是他们的要求被批准了。
　　从当年10月30日开始，他们基本每个月都可以对天空的这一部分拍一张照片。在此之前，哈勃望远镜无法对准目标，因为它离太阳太近了。在10月底拍摄的第一张照片中没有超新星。
　　下一张照片摄于11月14日，还是没有。
　　但是在12月11日拍摄的第三张图片中，超新星几乎就在他们预测的时间和地点出现了。
　　他们是怎么做到将预测的时间段（从十万年）压缩到近一个月的？事实是他们之前曾见过同样的超新星。不是一次，不是两次，而是足足四次！一年之前，也就是做出预测的五个月前，哈勃拍摄了这张照片。
　　看到那四个亮点了吗？
　　这些是同一颗超新星的多个虚像，我们在四个不同位置看到同一颗超新星的原因，是因为我们和爆炸星之间有一个透镜；当然不是玻璃镜片，而是引力透镜，由大量的普通物质和暗物质组成。引力透镜往往会聚焦光束，放大远处的光源并且增加其亮度。
　　这会将遥远星系的图像扭曲成弧形，线形和各种奇怪的形状。当然，对于位于另一个星系中的观察者来说，来自太阳和银河系的光线也可能会发生类似的扭曲
　　在引力透镜中，有三个基本组成部分;光源，透镜和观测点。如果透镜和光源是完全对称的，而且三者恰好在一条直线上，你会看到一个称为爱因斯坦环的东西。来自光源的光在所有方向均等地围绕透镜弯曲，形成一个环状的图像；如果光源和透镜是完全对称的，但不在一条直线上，我们最终看到的是断开的爱因斯坦环，它会分为两个半圆形。如果光源，透镜和观测点是对准了的，但透镜不是完全对称的，例如，它可以是椭圆形，那么你最后会得到四个十字形的图像，即爱因斯坦十字。所以这颗超新星是这么预测来的。
　　93亿年以前，遥远星系中一颗垂死的恒星发生了超新星爆发。爆炸的强光向四周传播，在50亿年前，地球还不知道在哪的时候，发出的光遇到了足以扭曲空间的巨大物体，这是一个名为MACS J1149.5 + 2223的星系团（名字有点绕口，但这个名字告诉我们，它是由MAssive Cluster Survey发现的，以及发现它的位置）。这个星系团由许多巨大的子结构组成，比如单个星系和暗物质晕。当光穿过该区域中的某个特定地点时，它遇到了一个刚好对准了地球的椭圆星系，引力透镜使得本来会发散的光芒聚焦在地球上，这就是我们会在四个不同的位置看到同一颗超新星的原因。
　　超新星不仅出现在四个不同的地方，其实它们也出现在不同的时间。相对于第一个图像，其他图像的延迟时间为5天到超过3周。借助超新星特有的光度曲线，我们可以计算这段延迟时间，有的超新星图像的光度曲线要晚于其他的，这是一个特别幸运的发现，因为这是第一次观测到引力透镜形成的多个超新星。虽然其他的天体也会因为引力透镜而在天空中形成多个图像，但是这些天体没有可预测的变化规律，因此无法使用它们的图像来计算它们之间的相对时间延迟。延迟的原因之一是因为光线所走的四个路径的长度不同。因此，走得更远花的时间也就更多。但是还有另一个原因：穿过弯曲的时空的光相对于外部观察者而言传播的速度更慢。这和我们的常识相悖，但却是广义相对论里充分探讨并检验过的一部分。
　　早在1964年，艾尔文·夏皮罗（Irwin Shapiro）就提出了一种测试这种引力时间延迟的方法，通过向金星发送雷达信号，并测量收到回波所需的时间。他计算得出，由于太阳的引力影响，当金星位于太阳的另一侧时，比起在我们这一侧时信号将花费额外的200微秒。这是完全由引力导致的时间延迟，与光通过的额外距离无关。在几年之内，实验数据就如他预测的那样证实了引力会让经过太阳的光出现延迟。如今，为了准确确定到＂旅行者＂号和＂先锋＂号航天器的距离，这个夏皮罗延迟也必须被考虑进去。
　　再回到之前的四个超新星的图像。你有没有发现同一个星系在此图像中出现了三次？那就是这颗超新星所在的星系。而这些就是这个星系本身，被巨大的星系星团MACS J1149.5 + 2223的引力透镜造出的虚像。实际上，这个星团透镜影响了数十个星系。因此科学家早在这颗超新星出现之前就已经研究和模拟了物质在这个星团中的分布。然后他们提出了一个问题：既然我们在这个图像里看到了超新星爆发，那另外的两个图像里又该是什么时候出现超新星爆发呢？
　　使用质量分布模型和广义相对论他们计算出，这处图像中的超新星应该出现在20年前，也就是1995年。我们手上没有1995年拍的这部分天空的照片，因此无法验证。
　　他们对另一个图像做出的预测是超新星将在大约一年后再次出现。正是它出现在哈勃太空望远镜的照片里的时间。这一成功的预测很好地验证了我们对光和引力在宇宙尺度上的理解。但这还有着更深的意义。目前，天文学上最热门的辩论之一是：我们的宇宙膨胀得有多快？这个速度是由哈勃常数衡量的，遥远的星系彼此远离的速度，取决于它们之间的距离。
　　过去有两种主要的测量方法：一种是在附近的宇宙中寻找我们知道其绝对光度的恒星。然后我们就可以使用它的视亮度来确定它们的距离，然后通过将距离和光线红移结合起来，就可以计算出宇宙膨胀的速度。这就是所谓的距离梯度法。它得出的哈勃常数约为每百万秒差距74公里。(一秒差距约等于3.26光年)意味着两个星系之间的距离每多一秒，它们彼此远离的平均速度就增加74 km / s。测量哈勃常数的另一种方法是对宇宙微波背景的特征——也就是早期宇宙的快照进行研究。使用被称为Lambda-CDM的宇宙学标准模型，我们可以计算出这种早期宇宙的快照是如何随着时间而扩展的。通过这种方法获得的结果是每百万秒差距67公里。远低于通过另一种方法算出来的74公里。
　　这么多年下来这两种方式都进行了优化并减少了误差。但算出来的结果还是差得很远。
　　所以迄今为止这两个结果看起来还是差得远的。它们之间有着足足5个标准差的鸿沟。天体物理学家约瑟夫·希尔克称其为＂宇宙学可能存在的危机＂。
　　但是还有别的测量哈勃常数的方法。其中之一就是观测一个产生了多个虚像的超新星，并利用它们各个虚像之间的时间延迟来计算。这是由挪威天文学家舒尔·雷夫斯达尔于1964年首次提出的。由于这是第一个被观测到的多重透镜超新星，因此它被称为雷夫斯达尔超新星，根据从这个超新星上取得的数据算出的哈勃常数值是每百万秒差距64公里。尽管结果的误差还是很大，但与距离梯度法相比，它更接近于宇宙微波背景的测量。
　　空间是多么奇妙的东西，曾经我们认为它就像一块玻璃，基本上是透明的，偶尔起一点雾或一些轻微的变形。但是在这里我们看到空间将光线扭曲成几个不同的弯曲轨迹。使同一事件在几天，几周，一年，和二十年后出现在天空中六个不同的位置，而这些扭曲的光中却包含着关于我们整个宇宙如何运转的信息。