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为什么物理学家能准确预测百亿光年外的天文事件?

图片:Public Domain

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到目前为止,最具说服力的证据,我个人认为是雷夫斯达尔超新星(SN Refsdal)的第六个像的准确预测和发现。这是广义相对论和引力透镜的又一次巨大胜利,也是天文学家多年研究的最好回报。这个发现证明了,我们可以预言发生在 93.4 亿年之前,共动距离 144 亿光年之外(注意对于宇宙学距离,其一般大于光速乘以时间,所以不是 93.4 亿光年)发生的超新星星象再次出现的时间和位置。进而证明了,至少在这个距离和时间之内,人类可以通过物理定律,准确的预言未来发生的天文现象。如果宇宙在这么大尺度下,物理定律发生了哪怕一丁点的变化,那么我们是无法完成这个工作的。

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王善钦对这个工作有过非常精要的总结,这里简单的科普一下。更为详细的内容,请参见网址:昨日重现:Refsdal 超新星的第 6 个像如期而至 - Article - JIJITANG

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超新星是这个宇宙中最猛烈的能量爆发之一。恒星在短短的几天到一个月内,把自己积攒的质量以最猛烈的形式转化成能量。其亮度瞬间可以和整个星系相比拟,然后迅速消失不见。如下图,超新星 1994D(下图左下角亮星)和它所处的星系 NGC4526 相映成趣。我们的故事就是关于另一颗遥远超新星爆发的多次复现。

1964~1966 年,挪威天文学家雷夫斯达尔预言超新星光线经过巨大的星系团附近时,星系团的引力会偏折光线,并且由于光路的不同,会在不同时刻,不同位置产生同一个超新星的像,我们可以通过这个手段研究星系团质量分布和宇宙膨胀。但是这样的发现极为困难。直到哈勃太空望远镜升空,才成为可能。

星系团 MACS J1149+2223 是宇宙中的一个庞然大物,离我们约 50 亿光年。在不到五百万光年的范围内有着成千上万个星系成员。星系团自身的引力形成了一个巨大的引力透镜,折射着所有经过这个星系团的光线。如下图。这个星系团很早就吸引了很多天文学家的注意,从哈勃望远镜上天后不久,人们就不时观测这个星系团,试图去寻找其背后隐藏的秘密。

在下图右下角红圈处,天文学家发现了一个被扭曲的不成样子的旋涡星系。按道理说,在星系团中央是不应该存在一个如此不规则成员的;而且,它也不像是星系团的前景星系。后来人们认识到,这个星系像其实是被扭曲的背景星系像,其红移显示它离我们约 144 亿光年,因此不属于该星系团。 通过对比,人们认识到靠中心黄圈,左上角绿圈所示的星系也是这个旋涡星系的另两个像。

通过多年的观测,人们对这个星系团的结构有了更多的认识,并基于其质量分布建立了引力透镜模型,如下图。这个星系团的引力透镜并不是一个均匀的圆形透镜。而是基于星系团质量分布呈现不规则形状。在图中白线处,是这个星系团的特征线,在此处放大倍率最强。越远离星系团中心,光被引力“拖拽”的影响越小,反而传递到我们的时间越早(详情可以搜索引力时延效应)。下图中,蓝圈中的序号显示同一背景星系的不同像。其中,1.1,1.2,1.3.1,1.3.2 都是该旋涡星系的不同像。

1995~1998 年间,在绿圈(蓝圈 1.1)中,一颗超新星闪烁起了光芒。令人遗憾的是,当时的人们并没有关注到它,因而错过了。

2013 年,两个小组,GLASS 小组(Grism Lens-Amplified Survey from Space 太空光栅棱镜放大调查)和 FroniterSN 小组(Frontier Field Supernova 前沿领域超新星)开始尝试追踪星系团中超新星现象,他们注意到了这个星系团。令人兴奋的是。2014 年 11 月 11 日,在这个光棍节的日子,四个超新星像同时在这个旋涡星系中闪烁(红圈和蓝圈 1.2)。人们相信这四个超新星其实是多年前那颗超新星的复现。由于光路的不同,我们有幸看到了这个极为罕见的同一超新星四个像几乎同时出现的一幕(实际上差了几天)。特别凑巧的是,这是一个二次引力透镜放大现象。第一级放大来自于星系团。第二级放大来自于正好在视线中间的一个星系团中特定椭圆星系的放大,从而形成爱因斯坦十字。因此,这个颗超新星比平时观察到的亮 20 倍左右。此时正好是广义相对论诞生 99 周年,算是对相对论 100 周年的提前贺礼!可惜的是,爱因斯坦和雷夫斯达尔都已离世,未能亲眼见到它~

基于这些已有数据,天文学家重构了此星系团的结构,如下图。大量的文章开始仔细分析这次罕见的超新星十字现象。渐渐地,天文学家认为,这颗超新星还会再出现一次!

因为越靠近中心引力场越强,引力时延效应越显著,所以黄圈(蓝圈 1.31)光线走的时间最长。于是,天文学家预言,在 2015 年 10 月到 2016 年前半年之间,我们肯定能再次看到这颗超新星的出现。

以下列举一些相关工作。

“(a). Sharon 与 Johnson (2015, ApJ, 800, L26) 使用 “Lenstool”,认为第 1 个像在 1.3-12 年前出现过,第 6 个像将在 2015 年 9 月出现。

(b). Oguri (MNRAS,2015,449,L86)用他自己于 2010 年开发公布的“glafic”代码,宣布第 1 个像在 17 年前出现过,第 6 个像将在 2015 年 11 月出现。这个结果被认为是最可靠的!

(c). Diego 等人(2015,arXiv:1504.05953,发表于 2016 年的 MNRAS,456,356)用“自由形式质量模型技巧(free-form mass modeling technique)”,认为第 1 个像在大约 9 年前出现,下一个像在 2015 年 11 月到 2016 年 1 月之间出现。

还有一些其他的文章也做出了预言,大部分都认为时间在 2015 年底到 2016 年前半年之间。”

人们也预言了超新星会出现的位置。如下图,三个不同的模型给出了超新星再次出现的位置范围,如两个红圈和一个绿圈所示。

2015 年 10 月末开始,哈勃望远镜就不间断的观测星系团 MACS J1149+2223。盼望着,盼望着。在 2015 年 12 月 11 日,超新星如期而至!而且,其位置,正好在上图的红色十字处!

对来自超新星的走了 93 亿年的光子,人们能预言其到达我们这里的时间,且精确在半年甚至一个月左右,这几乎可以认为是最准确的预言之一了!如果物理定律在这之中有亿分之一的误差,那么结果也是截然不同的!

最后引用王善钦的总结:

“这是人类首次在超新星爆发前预言超新星爆发的精确时间与地点!虽然这是以这个超新星的其他像作为依据进行的预测,也足够激动人心。它的出现,也又一次宣示了科学理论之美。有一位非常著名的物理学大师(这里就不点其名了)曾经说:理论物理学能够用几个简单的公式描述甚至预测现实物理世界,是奇迹中的奇迹。现在,我们也可以感受到一些天体物理上的理论,也是奇迹中的奇迹。”

https://www.youtube.com/watch?v=yR1Bx954Lxs

昨日重现:Refsdal 超新星的第 6 个像如期而至 - Article - JIJITANG

抓现行:哈勃发现预期中的第 5 个超新星像 - 译文快递 - 中国天文科普网 -- 中国网上天文台

Caught in the act - Hubble captures first-ever predicted exploding star

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