北辰
1915年，偉大的阿爾伯特·愛因斯坦提出了現(xiàn)代物理學(xué)的奠基之作——廣義相對論。其中，愛因斯坦預(yù)言了一種現(xiàn)象——由于時空在大質(zhì)量天體附近會發(fā)生畸變，使光線在大質(zhì)量天體附近發(fā)生彎曲（光線沿彎曲空間的短程線傳播）。如果在觀測者到光源的視線上有一個大質(zhì)量的前景天體，則在光源的兩側(cè)會形成兩個像，就好像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣，而這種現(xiàn)象就被稱為引力透鏡效應(yīng)。
當(dāng)光在星系、星系團及黑洞等具有巨大引力的天體附近經(jīng)過時，會像通過凸透鏡一樣發(fā)生彎曲，根據(jù)變化了的光線在光譜外波段呈現(xiàn)的不規(guī)則程度，我們就可以推算出發(fā)光星系的年齡和距地距離。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對引力透鏡效應(yīng)的實際觀測證明，愛因斯坦的廣義相對論確實是關(guān)于引力的正確描述。
在某些情況下，起引力透鏡作用的天體是一個星系，它對光的彎曲作用能產(chǎn)生類星體或其他星系等更遙遠(yuǎn)天體的多重像。有些天文學(xué)家認(rèn)為，多達(dá)2/3的已知類星體可能由于引力透鏡效應(yīng)而增加了亮度。
而在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，星系團導(dǎo)致的引力透鏡還有很多很多，它們是天文學(xué)家最喜愛的觀測目標(biāo)。天文學(xué)家常常會對著宇宙邊緣的引力透鏡凝視，引力透鏡能把遠(yuǎn)處的星光呈現(xiàn)在他們眼前，讓他們看到本來無法觀測到的宇宙邊緣，這是一幅靜態(tài)卻又絕美的景觀。
然而，天文學(xué)家并不滿足于此，他們還想通過引力透鏡看到更多的景象，比如超新星（恒星演化過程中的一個階段）。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸，此時它會突然增加萬倍的亮度。即便如此，人類也只有在引力透鏡的作用下才能看到。引力透鏡還會呈現(xiàn)出一個超新星的幾個幻象。由于星系團由多個星系組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光線會經(jīng)過多次折射，超新星就會出現(xiàn)好幾個幻象，讓人們以為看到了好多顆超新星。
不過，無論是超新星還是它們的幻象，都仍不足以勾起天文學(xué)家的全部激情，他們希望看到奇跡，看到由引力透鏡播放的一本來自宇宙深處的電影——超新星爆發(fā)的完整過程。
盡管愛因斯坦早在100多年前就提到引力透鏡的存在，但人類直到最近幾十年才證明了它的存在。而在近幾年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了形形色色的引力透鏡。如今，他們更是找到了真正能為人類呈現(xiàn)宇宙深處故事的引力透鏡——星系團MACS J1149+2223，它是最高級的引力透鏡，滿足了天文學(xué)家的心愿——能夠像播放電影般敘述宇宙的故事。
星系團MACS J1149+2223位于宇宙深處，距離我們足有50億光年。它充當(dāng)了引力透鏡，能把90億光年外的雷夫斯達(dá)爾超新星（Refsdal）呈現(xiàn)在我們眼前。當(dāng)這顆超新星出現(xiàn)時，經(jīng)過星系團MACS J1149+2223引力透鏡效應(yīng)的作用，會發(fā)生巨大的改變，呈現(xiàn)出4個幻象。這4個幻象基本上處于對立的位置，就像是一個十字架，是引力透鏡效應(yīng)最著名的例證之一，被稱為愛因斯坦十字架。
多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種各樣的引力透鏡，其中就有愛因斯坦十字架。1985年，地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一例著名的愛因斯坦十字架引力透鏡G2237+0305，這是一顆類星體的4個幻象。1999年，日本8米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝到了類星體PG1115+080的四重像，前置天體是一個距離地球30億光年的橢圓星系，遠(yuǎn)方天體距離地球80億光年。2000年4月，錢德拉空間天文臺拍攝到類星體H1413+117的四重像，位于牧夫座，也是一個愛因斯坦十字架。這3個十字架都是類星體的十字架。
直到2015年，雷夫斯達(dá)爾超新星產(chǎn)生的十字架在名為MACS J1149+2223的星系團中出現(xiàn)，人類才發(fā)現(xiàn)了第一個超新星產(chǎn)生的十字架。天文學(xué)家表示，如果僅僅是一個星系團，它應(yīng)該沒有能力“幻化”出愛因斯坦十字架，但由于MACS J1149+ 2223是一個巨大的橢圓星系，且位置合適，才讓遙遠(yuǎn)的超新星出現(xiàn)了4個幻象。
可喜的是，人類發(fā)現(xiàn)的第一個由超新星產(chǎn)生的十字架就不是一個簡單的引力透鏡，它表現(xiàn)的是雙重引力透鏡現(xiàn)象。首先，雷夫斯達(dá)爾超新星在遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣爆發(fā)，被橢圓星系放大，出現(xiàn)在橢圓星系中，橢圓星系起到了第一重引力透鏡的作用。第二重引力透鏡就是星系團MACS J1149+2223，它把第一重引力透鏡中出現(xiàn)的場景連同引力透鏡本身再一次放大，從而出現(xiàn)在我們眼前。經(jīng)過這兩次放大，雷夫斯達(dá)爾超新星呈現(xiàn)出的亮度提高了20倍。
星系團MACS J1149+2223忠誠無私地把它看到的橢圓星系呈現(xiàn)在人類眼前，至于愛因斯坦十字架，純粹是它無意之中打造的完美作品，這需要地球、星系團和橢圓星系三者都處于合適的位置及角度時才會出現(xiàn)。
這一極其罕見的現(xiàn)象，將幫助天文學(xué)家研究MACS J1149+2223星系團的總質(zhì)量，尤其是這個星系團中的質(zhì)量分布情況。更加難得的是，它們還將幫助我們尋找暗物質(zhì)?？茖W(xué)家推測，暗物質(zhì)在宇宙中占比超過96%，而引力透鏡現(xiàn)象能讓它們無處藏身，至少也能為人類尋找暗物質(zhì)提供重大線索。
天文學(xué)家在討論愛因斯坦十字超新星幫助我們了解宇宙暗物質(zhì)的同時，還有人提出了另一個重要的想法——引力透鏡將會成為星空影院，幫助我們觀看超新星爆發(fā)的整個過程。
在穿過透鏡來到我們眼前時，超新星行進(jìn)的路線極為復(fù)雜，尤其是經(jīng)過透鏡時，它甚至經(jīng)過了好幾條路線。畢竟這個透鏡非常復(fù)雜，它是一個星系團，既有物質(zhì)稠密的空間，也有空無一物的地區(qū)。
不同的路線決定了不同的路程，因此4個幻象呈現(xiàn)在我們眼前的時間也會不同。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的4個超新星影像就是在幾天或者幾周的時間內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)的，并非同時出現(xiàn)，第一個和第四個圖像的出現(xiàn)時間間隔了大約26天。同時，天文學(xué)家根據(jù)在橢圓星系一條旋臂上觀測到的第一個超新星幻象，成功預(yù)測了超新星也會出現(xiàn)在其他幻象的旋臂上。不僅如此，科學(xué)家還進(jìn)一步得出結(jié)論：在未來的某個時刻，雷夫斯達(dá)爾超新星還會再次出現(xiàn)在這個引力透鏡的某個未知部位。它出現(xiàn)的時候，就會像播放電影那樣，為人類演示爆發(fā)的全過程。
雖然這部“電影”經(jīng)過兩重引力透鏡才傳送至我們面前，內(nèi)容必然會有些失真，但對于科學(xué)家而言已經(jīng)十分寶貴。在“電影”播放的這段時間內(nèi)，他們會研究超新星爆發(fā)的整個過程，觀測它的光度變化，以及光學(xué)波段之外的電磁波變化。
超新星爆發(fā)往往會持續(xù)幾個星期，因此這部宇宙“電影”的時長也大致為幾個星期。雖然天文學(xué)家已經(jīng)通過引力透鏡，觀看了4遍雷夫斯達(dá)爾超新星爆發(fā)的電影，但他們?nèi)圆粷M足，依舊選擇靜靜等候，等待觀看星系團MACS J1149+2223播放的下一場“電影”。當(dāng)然，沒有人能預(yù)測下一場“電影”會在什么時候開播，也許就在不久之后，也許還要我們等待幾年。
“電影屏幕”在50億光年之外，主角卻距離我們有90億光年。當(dāng)雷夫斯達(dá)爾超新星爆發(fā)的光經(jīng)過雙重引力透鏡，在星系團MACS J1149+ 2223這塊屏幕上再次出現(xiàn)的時候，天文學(xué)家一定會歡呼慶祝。如果要給這部“電影”起個名字，應(yīng)該就是《一顆恒星的死亡重播》。
