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看见最遥远恒星,距地球超过90亿光年!

2017-07-13 15:55:04评论 杂谈

2014年,天文学家发现了第一颗被引力透镜多重成像的超新星(插入图中箭头所指处)。然而,就在这张照片上,还隐藏着另一个不可思议的秘密,直到2016年才被天文学家留意到。图片来源:NASA, ESA,S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team;T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly(University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J.Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) andthe CLASH team; and Z. Levay (STScI)

(艾麦乐/译)简直不可思议:由于某种宇宙级别几何关系上的机缘巧合,天文学家已经探测到了迄今所见的最遥远单颗恒星发出的光亮。到底有多远呢?

超过90亿光年。

没错,你没看错。9 000 000 000光年。

单颗恒星,在那么远的距离上。简直要命了。认真讲,听到这条消息的时候,我连寒毛都立起来了。这个距离太过惊人,有好一会儿,我都不敢相信这是真的。然后,我读了那篇论文,又做了些数学运算,发现这事似乎确实靠谱。

通常,一颗那么遥远的恒星应该暗到根本就看不见了。比天文学家观测能力的极限还要暗上百倍!然而,对于这颗恒星来说,我们得到了来自宇宙的援手:这颗恒星发出的光被它和我们之间一个星系团的引力放大了许多倍。

原理是这样的。任何有质量的物体,不管是一个星系、一颗恒星、还是你和我,都会弯曲空间,字面意义上的扭曲时空。这种空间弯曲,我们能够感受到,就是引力。如果我们发射一枚火箭飞过月球,月球的引力就会掰弯那枚火箭的轨迹。

对光来说,也是如此。就像沿着弯道行驶的汽车一样,一个光子在宇宙中穿行的轨迹也会会略微弯曲,比如经过大质量天体的时候。这个天体的质量越大,光子的轨迹离天体越近,光线弯曲的幅度也越明显。我们称这样的天体为引力透镜,因为它们就像透镜一样能够弯曲光线。

这种效应能产生许多现象。举例来说,一颗遥远的恒星发生爆炸,即超新星爆发时,它发出的光会朝四面八方传播。但是,如果其中一些光线途经一个星系,原本并不射向我们的一部分光线就会被这个星系的引力掰弯而朝向我们传播。我们就能够看到那些光线!有时候,这意味着我们能够看到同一个天体的好几重影像,而有时候,这意味着单个天体的光会被放大,看起来显得更加明亮。

星系或者星系团的引力会弯曲光线,使得原本并不射向我们的一部分光线被掰弯而朝向我们传播。这种现象称为引力透镜。图片来源:HubbleESA

距离地球大约50亿光年的地方,有一个星系团,名为MACS J11492223,由聚集在几百万光年内的少量星系构成。它在2007年被人发现,但直到2014年才在天文学家中引发了大量关注,因为当时有一颗超新星出现在它附近。然而,这颗超新星并非位于这个星系团的任何一颗星系之中;它来自于另一个更加遥远的星系,距离地球超过90亿光年。这颗超新星发出的光在传向我们的途中经过了这个星系团,也因此光线发生了弯曲。这个星系团的引力将这颗超新星分成了4个不同的影像,使得它成为有史以来天文学家发现的首颗被引力透镜多重成像的超新星。

在接下来的日子里,天文学家每隔几个月就会观测MACSJ1149一次,持续监测那颗超新星的变化。在2016年4月拍摄的一张照片上,他们看到了不同寻常的东西。离那颗超新星不远的地方,一个亮点似乎发生了亮度变化。这件事异乎寻常,可能有着多种解释:另一颗超新星,第一颗超新星的延迟影像(因为光线沿着不同的路径传播,所以同一颗超新星的多重影像抵达地球的时间也不尽相同),或者是某种其他类型的光变天体。

人类迄今观测到的最远恒星。这颗恒星(左图)用蓝色箭头标出。它所在的旋涡星系,由于受到星系团MACSJ1149的引力透镜作用,能够看到两个不同的影像。那颗超新星(昵称“Refsdal”)也在图中标出。这颗恒星在哈勃望远镜2011年拍摄的照片中还没有出现(右上),却出现在2016年拍摄的另一张照片里(右下)。图片来源:Kellyet al.

天文学家的发现令人震惊:这个天体的颜色特征与恒星相吻合。事实上,这似乎是一颗所谓的蓝超巨星,一类比太阳重得多、大得多,也热得多的恒星。蓝超巨星是已近暮年的恒星,它们已经耗尽了核心处可以用来聚变的氢燃料,一系列复杂的过程使得它们的核心变得更加炽热,导致恒星的外层发生膨胀,恒星变得异常明亮。夜空中最亮的恒星中有一些就是蓝超巨星,比如猎户座中的参宿七和天鹅座中的天津四。天文学家把新发现的这个天体称为LS1,是LensedStar 1的缩写,意思是“被透镜放大的恒星1号”。

就算亮度可以达到太阳的10000倍以上,蓝超巨星在90亿光年外也仍然太远而无法看见,连哈勃望远镜也看不见。在这里,引力透镜帮了我们一个大忙!它让LS1的视亮度增强了大约600倍,使得它能够出现在哈勃拍摄的照片里。

实线标明了蓝超巨星的理论光谱,针对LS1所在星系的距离进行了修正。红色菱形则是哈勃拍摄的照片上测得的颜色。两者相吻合。图片来源:Kellyet al.

在2016年的照片上发现LS1之后,天文学家在其他照片里也找到了它的身影。在这些照片中,这颗恒星的视亮度随时间发生着变化。尽管蓝超巨星也会发生亮度变化,但可能性更大的情形是,LS1沿轨道绕着它所在星系的中心移动,这种位移使得引力透镜的放大效果发生了变化。这是因为这个引力透镜并不是平滑的透镜!MACSJ1149是个星系团,其中每一个星系都对引力透镜有所贡献,这会扭曲引力透镜的效果。一个更遥远的星系,出现在星系团的左侧或者右侧,被引力透镜扭曲放大的效果便会完全不同。

在更小的尺度上,情况也同样如此。这个星系团里不同的质量团块,可能导致引力透镜的效果在极小的尺度上发生急剧变化。如果那颗恒星在空间中的移动速度足够快,相对于引力透镜中的那些扭曲而发生位移,就会导致它所表现出来的亮度发生突然的变化。这颗恒星亮度的放大率在过去几年里发生了多大好几倍的变化,曾有一度它的放大率达到了将近2000!

有趣的是,在2016年5月的观测中,LS1的亮度曾经两次达到极大值,这可能意味着它并非单颗恒星,而是一对双星,由两颗相互绕转的蓝超巨星构成。这很罕见,但确实会出现,因此这样的可能性确实存在。

那么,这些发现有什么意义呢?呃,从科学上说,这的确非常有趣。由于这颗恒星(或者这对双星)通常情况下是暗到看不见的,这就给了我们一个机会能够去窥探正常情况下因为太远而无法研究的一个星系。它还给我们提供了MACSJ1499这个透镜星系团中小尺度质量分布的信息,因为引力透镜的放大率取决于物质如何在其中分布。事实上,在一些照片里,有第二颗恒星突然出现在LS1附近,这或许是那颗恒星的多重影像。

夜晚仰望星空,我们能够看到的星星,大都距离我们只有几十到上百光年。图片来源:Steed &夜空中国

但是,对于你来说,这又意味着什么呢?

夜晚,来到户外,抬头仰望。看到那些星星了吗?你能看到的所有恒星,其实都在我们的银河系内部。事实上,你看到的绝大多数恒星,离我们只有几十或者上百光年。只有少数肉眼可见的恒星,距离我们超过1000光年(比如前面提到的参宿七和天津四)。

而我们的银河系直径有10万光年,所以你能够看到的所有恒星都是“本地的”。借助大型望远镜,我们能够看到邻近星系中的单颗恒星,星系越远,看到的单颗恒星就越少。就算是哈勃空间望远镜,在距离我们太过遥远的宇宙深处,也只能在单颗恒星爆炸成超新星时才看到。

而现在,我们看见了一颗普通的明亮的大质量恒星,也可能是一对双星,却远在大半个宇宙之外,仅仅是因为机缘巧合它的星光被放大了。正因为如此,我们才能看见这颗恒星,要比你用肉眼在夜空中看到的任何其他恒星都远上超过100万倍

有人对我说,科学好无聊。真是无法想象,他们到底生活在哪个宇宙里面。(编辑:Steed)

拓展阅读

肉眼能看见的星星最远离地球有多少光年?


编译来源

BadAstronomy,THE FARTHEST STAR

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