不知道大家有沒有過這樣的體驗，面對陌生的事情或者場景，會突然覺得似乎在以前經歷過，甚至還能預測下一秒會發生什麼。這其實源自一個叫做「既視感」的生理現象。統計表明，大約三分之二的人有過至少一次這種感到似曾相識的經歷。有意思的是，宇宙中也存在一類和既視感非常相似的現象，我們可以藉助一種被稱為強引力透鏡的效應，多次看到同一件事情的發生。
01
時光機？時光機！
強引力透鏡是背景天體發出的多束光線在前景天體的引力作用下發生偏折從而匯聚形成多重像的現象。由於它和光學透鏡十分類似，因此被稱為引力透鏡，其中前景天體被稱為透鏡體，背景天體被稱為源。
強引力透鏡系統示例，兩幅圖中被拉伸的藍色或橙色長弧是源形成的多重像。丨圖源：ESA/Hubble,NASA, CSA, and STScI
從下面強引力透鏡示意圖中我們可以看到，強引力透鏡事例中，不同的像對應不同的光路，這會導致兩類時間延遲的產生。其中一類被稱為幾何時間延遲，它比較直觀，是由光走過的路程不同所引起的。另一類被稱為夏皮羅時間延遲，它是美國天體物理學家歐文·夏皮羅（Irwin Shapiro）於1964年提出的。其原理是在廣義相對論效應下，引力會使得光線的等效傳播速度發生變化，從而導致到達時間出現延遲。由於不同光路所感受的引力勢不同，它們對應的夏皮羅時間延遲也會不同。
在強引力透鏡系統中，多重像之間的相對時間延遲是這兩類時間延遲的疊加，通常可以達到天至年的量級。正是由於這一時間延遲效應，強引力透鏡成為了一個等效的時光機，我們所看到的多重像並非來自同一時刻，而是對應源在不同時刻的圖像。
強引力透鏡示意圖。共有四條光路到達觀測者，因此能看到源的四個像（右上角）。丨圖源：ESA/Hubble, L. Calçada
02
宇宙中的焰火
當然，想要觀測到這一時間延遲，源不能是一成不變，而應該是處於變化中的。超新星就是一類常見的變源，雖然從字面意思看這個名字表示新出現的恆星，但是超新星的本質和新誕生的恆星恰恰相反，它實際上是恆星在死亡前最後的絢爛。
當大質量恆星（質量大約是太陽的8倍或者更高）和處於雙星系統中的白矮星演化到晚期，或由於引力塌縮，或由於核反應被點燃，導致恆星的外殼層或者白矮星整體在極短的時間內發生瓦解，這個過程被稱為超新星爆發。其釋放的能量之大，使得超新星爆發成為了宇宙中最劇烈的爆炸之一，它持續時間通常在一年左右，最亮的時候甚至可以媲美包含上千億顆恆星的星系。因此，我們可以把超新星爆發想像為宇宙中的焰火表演。不過，這類表演非常罕見，平均每個星系每一百年才會爆發一顆超新星，而能被我們看見的更是鳳毛麟角。
03
「超」「強」組合的初舞台
2014年，人類第一次觀測到了超新星作為源的強引力透鏡事例。美國明尼蘇達大學的派屈克·凱利教授（Patrick Kelly）和他的合作者在分析一個名為MACSJ1149.6+2223星系團的歷史數據時，發現2014年11月拍攝的圖像中，一個星系的周圍出現了四個點，它們在之前拍攝的圖像中並不存在。後續的觀測證實，這四個點是同一顆超新星被星系透鏡偏折所形成的四個像。
多個研究團隊迅速對這一歷史性的發現進行了跟進，他們化身預言家，預測由於時間延遲，將在大約一年後，在這四個像的東北方向，再次看到這顆超新星的爆發。2015年12月，萬眾期待的超新星如期而至！這個發現標誌著人類歷史上首次成功預言了超新星爆發的時間和位置。
04
始於顏值，忠於內涵
除了視覺上的衝擊，強引力透鏡的時間延遲效應還有著重要的科學價值。
一方面，我們可以通過測量時間延遲，來計算源和透鏡體離我們的距離，而知道天體的距離將能幫助我們判斷宇宙是如何膨脹的，這其實是當前天文界的一個研究熱點。
儘管我們在20世紀末已經通過觀測推斷出宇宙目前處於一個加速膨脹的階段（相關的工作獲得了2011 年諾貝爾物理學獎），但對其膨脹的具體速率，即哈勃常數，仍然沒有達成共識。目前兩類常用的測量哈勃常數的方法給出的結果存在顯著的不一致，已經成為了現有宇宙學理論的一個重大危機。
哈勃常數測量結果對比。藍色和黑色對應的結果分別來自兩類常用的測量方法，它們之間存在顯著的不一致。｜圖源：Wendy Freedman
為了判斷測量結果的不一致究竟是源自兩類方法中未知的系統性偏差，還是超出現有理論框架的新的物理，我們迫切需要通過其它方法來測量哈勃常數。而強引力透鏡的時間延遲效應正好提供了一個獨立於前兩類方法的測量哈勃常數的手段。最近十年，陸續有工作成功地通過時間延遲法測量出了哈勃常數，但由於可用的強引力透鏡事例不足，其測量精度尚無法給出關於哈勃常數危機的決定性結論。
另一方面，時間延遲提供了一個研究超新星爆發早期甚至是未爆發前相關性質的機會。理論工作表明，超新星爆發極早期（大約15天以內）的性質可以幫助有效地判斷超新星的前身星。但常規超新星的爆發具有不可預測性，現有的關於超新星極早期性質的觀測完全是憑運氣，相關的研究屈指可數。對於強引力透鏡超新星，我們可以在觀測到最先到達的像之後，通過建模來預測後續的像會在什麼時間出現在什麼位置，從而安排相應的觀測，記錄下超新星爆發的全過程。對於天文學這門「靠天吃飯」的學科，強引力透鏡所帶來的「預測未來」的能力，無疑是彌足珍貴的。
05
時間旅行邀約
美中不足的是，由於強引力透鏡和超新星都是非常罕見的現象，目前已知的強引力透鏡超新星僅有五例。不過，這一局限有望在不久的將來發生徹底的轉變。國內外正在籌備的多個新一代巡天項目將能看得更廣更深，具備每年發現十例左右強引力透鏡超新星的能力。例如，我國的巡天空間望遠鏡項目和中國科學技術大學-紫金山天文台2.5米大視場巡天望遠鏡項目。
讓我們期待更多的強引力透鏡超新星事例被我國自主研製的望遠鏡所捕獲。屆時，希望我們能再次相聚在這個平台，共同體驗一段段奇妙的時間旅行！
作者簡介
舒軼平
中國科學院紫金山天文台星系宇宙學和暗能量研究團組學者，主要研究方向為星系演化和宇宙學。
輪值主編：張水乃
編輯：王科超
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
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來源：中國科學院紫金山天文台
編輯：萬象