徐令予博客
考槃在澗，碩人之寬。獨寐寤言，永矢弗諼。考槃在阿，碩人之薖。獨寐寤歌，永矢弗過。考槃在陸，碩人之軸。獨寐寤宿，永矢弗告。
引力透鏡為2015年帶來了最珍貴的照片
就在幾天前（2015年12月17日）NASA公布的照片受到了高度關注。今年是偉大的科學家、思想家愛因斯坦完成廣義相對論整整100周年，NASA公布的這張照片把紀念活動推向高潮並劃上了完美的句號。12月11日，哈勃空間望遠鏡在科學家預測的特定方位和確切的時段裏捕捉到了宇宙深處難得一見的超新星爆發過程。科學家進行分析和預測的基本理論就是廣義相對論，整個項目也涉及到星係團天體物理、超新星及暗物質等多個專業領域，物理意義極為重要，所以這張照片應該被評為本年度最為珍貴的照片（沒有之一）。如果有人不認同我的觀點，要給我帶上“標題黨”的帽子對我口誅筆伐，我也沒有意見，但條件是必須堅持讀畢全文，我的承諾是在本文中盡量使用淺顯的語言，並保證不夾帶任何數學公式，這夠公平了吧？
故事得從2014年11月10日說起，哈勃望遠鏡在當時獲得了一顆超新星的四個景象，詳見圖一中箭頭指示的四個黃色亮點。這四個亮點是同一顆超新星 SN Refsdal 在空間產生的四個重複的景象，這和照相機的低劣鏡頭引起多重成像非常相似，問題是太空中哪裏有光學鏡頭呢？
圖一：超新星 SN Refsdal 在空間產生的四個重複的景象，2014年11月。
看了下麵的照片就容易理解了，位於地球外層空間的哈勃望遠鏡（圖二的左下角）正在觀察研究右上角遙遠星係中的一顆超新星SN Refsdal[1]。這顆超新星的光線要通過方框中的星係團（ galaxy cluster MACS J1149+2223 ）方能到達哈勃望遠鏡。該星係團中的許多質量巨大的星體和暗物質產生強烈的引力場，光線通過它們時就被扭曲偏轉就如透過玻璃凸透鏡一樣，物理學家把這種現象稱為引力透鏡。
圖二：引力透鏡的簡單圖解。
從超新星SN Refsdal出發的光線被星係團引力場偏轉成三組，其中第三組在進入星係團內部的一個橢圓星係後其四束光線被其中的引力場再一次偏轉，形成超新星的四個景象，詳見圖二下部放大後的細節。這就是哈勃望遠鏡在去年十一月拍攝到的圖片。需要注意的是，這不是一顆超新星裂成四塊，它們是超新星SN Refsdal完全相同的四個景象。假設把這顆超新星換成一棵相同大小和同等亮度的聖誕樹，那麽經過引力透鏡我們會在太空中看到完全相同的四棵聖誕樹。
實時觀察到超新星爆發過程已經非常難得，而能看到超新星的四個景象則更為不易，但更重要的是透過現象，科學家對這個星係團（MACS J1149+2223 ）內部的結構和引力透鏡的作用機理有了更為深入的了解。在此基礎上經過進一步的分析計算，他們認為應該還有兩組光線會通過不同路徑到達地球附近，由於路徑的長途不同，它們到達地球的時間也有先後。除了前文提到的第三組以外，其中第一組光線應該早在20前就可以被觀察到，可惜這已成過去，這裏就不作討論了[2]。最重要的是第二組光線，經認真反複計算，確認它們應在今年十二月到達地球附近，並於明年（2016年）的年中到達亮度的高峰，由這組光線構成的這顆超新星的景象在太空顯現的確切位置也被計算了出來。於是從今年十月起，哈勃望遠鏡受到新的指令開始聚集星係團（MACS J1149+2223 ），天體物理學家們及相關人員都在等待激動人心的一刻。終於在十二日十一日哈勃望遠鏡傳來了這張今年最為珍貴的照片（見圖三）[3]。
圖三：2015年12月11日哈勃望遠鏡傳來了這張今年最為珍貴的照片。
需要再次指出，這個在不同位置不同時間看到的兩個景象實質上是完全相同的一顆超新星，由於阻擋在超新星前麵的星係團的引力透鏡效應，使得觀察者前後兩次在不同的方位上看到了同一顆超新星的爆發過程。如果我們不考慮觀察物大小和亮度的限製，把一個產婦的放在超新星位置上，經過以上相同的引力透鏡我們在天體不同的方位上看到同一個嬰兒前後落地誕生了兩次，這不是錄像重播，而是同一真實物理事件在不同地點被先後觀察到兩次！“花兒凋謝不再開，光陰一去不再來。”這句諺語不是絕對正確的，即使是那同一朵花兒凋謝後還可在別的方位上被觀察到再次含苞待放，天體中的引力透鏡就能產生這樣的物理效果。
這項科研充滿了戲劇性，科學家在曆史上首次事先預告了超新星出現的方位和顯示的正確時間，這顆遙遠的超新星竟然在規定的地點和規定的時間裏出現在哈伯望遠鏡裏，超新星被科學家雙規了！其背後的科學意義非常重大。我們至少可以把它們歸結為以下三個方麵。
第一是對引力透鏡[4]有了更深入的研究和了解。按廣義相對論的描述大質量天體必然導致周圍時空的畸變，光線穿行時沿彎曲空間的短程線轉播而引起彎曲，因而對其背後的天體發出的光線起了凸透鏡的作用。而去年11月10日看到的這顆超新星經過引力透鏡後生成四個景象又被稱為愛因斯坦十字（Einstein Cross），是引力透鏡效應最著名的例證之一。由此可知廣義相對論對引力的描述更為完整精確。
第二是加深了對暗物質的了解。沒有暗物質的參與，該星係團（MACS J1149+2223）構成的引力透鏡不足以造成我們觀察到的這些現象。科學家在構建計算模型時已經加入了暗物質的因素。通過此番多次的預測、觀察和校正，讓研究人員對暗物質在星係團內的比例和大致分布有了更深入的認知。事實上該項研究遠末結束，研究人員正繼續跟蹤這顆超新星SN Refsdal，觀察它高峰期的亮度和光譜特征，以進一步驗證他們已有的模型和計算程序，他們還要麵對更多更難的工作。
第三是對超新星有了更深的研究。超新星（英文名：SuperNova）不是一顆新的星，超新星就是一顆爆炸了的恒星，它是大質量恒星演化後期的必然產物。進入老年期的恒星在其核燃料漸漸耗盡後，它不能產生足夠的熱量來平衡自身巨大的向心引力，從而導致恒星本體向中心急劇的坍縮。這種快速急劇的引力坍縮把恒星內部一切物質緊壓成高溫高壓狀態，最後點燃新一輪更為激烈的熱核反應。“鳥之將死，其鳴也哀；星之將盡；其狀亦美”，恒星歸葬時的禮花常常會比一億個太陽還亮，在恒古的長夜中可維持幾天甚至數月之久。對於遙遠的星球上的觀察者它就如同一顆突然誕生的明亮而又短命的新星，因而稱之為超新星。超新星維持的時間短，而且多數離開我們太遙遠亮度不夠，所以實時觀察到它們非常不易。這顆SN Refsdal雖然離開我們極為遙遠（90億光年外），但因為引力透鏡的聚焦效應，大大加強了到達地球時的亮度，而且引力透鏡效應使得我們又有了不止一次的觀察研究的機會，這對於超新星的研究十分有益。
總而言之，這項科研意義重大，又極富戲劇效果。預言SN Refsdal重現的論文我覺得真是牛得可以，我把論文結論的第六點直接抄錄於下，請諸位自己判斷吧。
6. All models predict that an image of ‘Refsdal’ will appear near the SX/1.2 location between the submission of this paper and the beginning of 2016. The most likely time for the peak is the first trimester of 2016. Given the long light curve of ‘Refsdal’ and the predicted brightness of SX/1.2, the image could be visible as soon as MACSJ1149.5+2223 is visible again by HSTWFC3 at the end of October 2015.
科學的真正意義不僅是解釋宇宙中千變萬化的複雜現象，更重要的是從中發現規律，並由此作出常人經驗之外的驚人預言。這才是科研的目標，這樣的論文才能使人心服。
論文的全文鏈接http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/heic1525b.pdf
T. Treu是論文的第一作者也是該項目的負責人，他是我母校UCLA天文物理係教授，應該也算是我的同係同事吧（不過我退休時他還沒有加入我係教職梯隊，我又在為自己臉上貼金了。）但他的團隊中有好幾位來自中國的學者和學生，他們至少是我的同胞和同事吧，這樣一想我還是很高興，我為他們出色的工作倍感自豪。
致謝：
全部圖片來自NASA和ESA。
上星期四當NASA的有關研究成果報導一岀來，我的好友王博士立即於第一時間通知了我，並對此新聞的科學價值作了初步評估。我把手中所有其它工作略作處理後就暫放一邊，全時日投入對本專題資料的收集整理和閱讀消化。其間多次半夜啟動熱線電話就有關疑點向王博士請教，嚴重影響了他正在專注的研究工作，在此一併致謙和道謝。他還鼓勵我應就此專題再寫續篇，把理論和技術問題作較深層次的介紹，這大概也可算是我的 New Year's resolution吧，不過曆年來我的新年期望常常是：“戀樹濕花飛不起，愁無比，和春付與東流水。”明年又能有什麽不一樣呢？
我年初寫有一篇“超新星SN185與後漢書”的博文，有興趣的可以一讀。
[1]超新星Refsdal以挪威天文學家Sjur Refsdal命名，以記念他早在1964年提出用超新星經引力透鏡成像的時間延遲來研究宇宙膨脹。
[2]雖然第一組光線到達地球的時間在二十年前，已經喪失實時觀察機會，但天文物理有關機構應有過去太空的檔案照片。但經分析計算，由於第一組光線過於微弱，應該無法留下景象紀錄，這一點與檔案照片核對結果一致。
[3]圖三是經藝術加工後的宣傳照片，這裏是學術報導中的照片供比較參考。
圖四：下圖攝於2011年，什麽也看不見；中圖攝於2015年4月，超新星SN Refsdal展現四個完整景象（分別為S1-4），亮度至高峰；上圖攝於2015年，在SX（New Image）處發現SN Refsdal的新景象，原先的四個景象S1-S4淡出視野。
[4]引力場源對位於其後的天體發出的電磁輻射所產生的會聚或多重成像效應。因類似凸透鏡的匯聚效應，因而得名。引力透鏡效應是阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種現象，由於時空在大質量天體附近會發生畸變，使光線在大質量天體附近發生彎曲（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量的前景天體則在光源的兩側會形成兩個像，就好像有一麵透鏡放在觀測者和天體之間一樣，這種現象稱之為引力透鏡效應。對引力透鏡效應的觀測證明阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論確實是引力的正確描述。詳見百度：http://baike.baidu.com/view/50113.htm
謝謝你.一直不知道科學的文字可以寫的這麽有娛有教的.
本人理論物理的本科,讀你的文將就能懂.