為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

到目前為止,最具說服力的證據,我個人認為是雷夫斯達爾超新星(SN Refsdal)的第六個像的準確預測和發現。這是廣義相對論和引力透鏡的又一次巨大勝利,也是天文學家多年研究的最好回報。這個發現證明了,我們可以預言發生在 93.4 億年之前,共動距離 144 億光年之外(注意對於宇宙學距離,其一般大於光速乘以時間,所以不是 93.4 億光年)發生的超新星星象再次出現的時間和位置。進而證明了,至少在這個距離和時間之內,人類可以通過物理定律,準確的預言未來發生的天文現象。如果宇宙在這麼大尺度下,物理定律發生了哪怕一丁點的變化,那麼我們是無法完成這個工作的。

-

王善欽對這個工作有過非常精要的總結,這裡簡單的科普一下。更為詳細的內容,請參見網址:昨日重現:Refsdal 超新星的第 6 個像如期而至 - Article - JIJITANG

-

超新星是這個宇宙中最猛烈的能量爆發之一。恆星在短短的幾天到一個月內,把自己積攢的質量以最猛烈的形式轉化成能量。其亮度瞬間可以和整個星系相比擬,然後迅速消失不見。如下圖,超新星 1994D(下圖左下角亮星)和它所處的星系 NGC4526 相映成趣。我們的故事就是關於另一顆遙遠超新星爆發的多次復現。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

1964~1966 年,挪威天文學家雷夫斯達爾預言超新星光線經過巨大的星系團附近時,星系團的引力會偏折光線,並且由於光路的不同,會在不同時刻,不同位置產生同一個超新星的像,我們可以通過這個手段研究星系團質量分佈和宇宙膨脹。但是這樣的發現極為困難。直到哈勃太空望遠鏡升空,才成為可能。

星系團 MACS J1149+2223 是宇宙中的一個龐然大物,離我們約 50 億光年。在不到五百萬光年的範圍內有著成千上萬個星系成員。星系團自身的引力形成了一個巨大的引力透鏡,折射著所有經過這個星系團的光線。如下圖。這個星系團很早就吸引了很多天文學家的注意,從哈勃望遠鏡上天後不久,人們就不時觀測這個星系團,試圖去尋找其背後隱藏的秘密。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

在下圖右下角紅圈處,天文學家發現了一個被扭曲的不成樣子的旋渦星系。按道理說,在星系團中央是不應該存在一個如此不規則成員的;而且,它也不像是星系團的前景星系。後來人們認識到,這個星系像其實是被扭曲的背景星系像,其紅移顯示它離我們約 144 億光年,因此不屬於該星系團。 通過對比,人們認識到靠中心黃圈,左上角綠圈所示的星系也是這個旋渦星系的另兩個像。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

通過多年的觀測,人們對這個星系團的結構有了更多的認識,並基於其質量分佈建立了引力透鏡模型,如下圖。這個星系團的引力透鏡並不是一個均勻的圓形透鏡。而是基於星系團質量分佈呈現不規則形狀。在圖中白線處,是這個星系團的特徵線,在此處放大倍率最強。越遠離星系團中心,光被引力“拖拽”的影響越小,反而傳遞到我們的時間越早(詳情可以搜索引力時延效應)。下圖中,藍圈中的序號顯示同一背景星系的不同像。其中,1.1,1.2,1.3.1,1.3.2 都是該旋渦星系的不同像。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

1995~1998 年間,在綠圈(藍圈 1.1)中,一顆超新星閃爍起了光芒。令人遺憾的是,當時的人們並沒有關注到它,因而錯過了。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

2013 年,兩個小組,GLASS 小組(Grism Lens-Amplified Survey from Space 太空光柵稜鏡放大調查)和 FroniterSN 小組(Frontier Field Supernova 前沿領域超新星)開始嘗試追蹤星系團中超新星現象,他們注意到了這個星系團。令人興奮的是。2014 年 11 月 11 日,在這個光棍節的日子,四個超新星像同時在這個旋渦星系中閃爍(紅圈和藍圈 1.2)。人們相信這四個超新星其實是多年前那顆超新星的復現。由於光路的不同,我們有幸看到了這個極為罕見的同一超新星四個像幾乎同時出現的一幕(實際上差了幾天)。特別湊巧的是,這是一個二次引力透鏡放大現象。第一級放大來自於星系團。第二級放大來自於正好在視線中間的一個星系團中特定橢圓星系的放大,從而形成愛因斯坦十字。因此,這個顆超新星比平時觀察到的亮 20 倍左右。此時正好是廣義相對論誕生 99 周年,算是對相對論 100 周年的提前賀禮!可惜的是,愛因斯坦和雷夫斯達爾都已離世,未能親眼見到它~

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

基於這些已有數據,天文學家重構了此星系團的結構,如下圖。大量的文章開始仔細分析這次罕見的超新星十字現象。漸漸地,天文學家認為,這顆超新星還會再出現一次!

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

因為越靠近中心引力場越強,引力時延效應越顯著,所以黃圈(藍圈 1.31)光線走的時間最長。於是,天文學家預言,在 2015 年 10 月到 2016 年前半年之間,我們肯定能再次看到這顆超新星的出現。

以下列舉一些相關工作。

“(a). Sharon 與 Johnson (2015, ApJ, 800, L26) 使用 “Lenstool”,認為第 1 個像在 1.3-12 年前出現過,第 6 個像將在 2015 年 9 月出現。

(b). Oguri (MNRAS,2015,449,L86)用他自己於 2010 年開發公布的“glafic”代碼,宣布第 1 個像在 17 年前出現過,第 6 個像將在 2015 年 11 月出現。這個結果被認為是最可靠的!

(c). Diego 等人(2015,arXiv:1504.05953,發表於 2016 年的 MNRAS,456,356)用“自由形式質量模型技巧(free-form mass modeling technique)”,認為第 1 個像在大約 9 年前出現,下一個像在 2015 年 11 月到 2016 年 1 月之間出現。

還有一些其他的文章也做出了預言,大部分都認為時間在 2015 年底到 2016 年前半年之間。”

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

人們也預言了超新星會出現的位置。如下圖,三個不同的模型給出了超新星再次出現的位置範圍,如兩個紅圈和一個綠圈所示。

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

2015 年 10 月末開始,哈勃望遠鏡就不間斷的觀測星系團 MACS J1149+2223。盼望著,盼望著。在 2015 年 12 月 11 日,超新星如期而至!而且,其位置,正好在上圖的紅色十字處!

為什麼物理學家能準確預測百億光年外的天文事件?

對來自超新星的走了 93 億年的光子,人們能預言其到達我們這裡的時間,且精確在半年甚至一個月左右,這幾乎可以認為是最準確的預言之一了!如果物理定律在這之中有億分之一的誤差,那麼結果也是截然不同的!

最後引用王善欽的總結:

“這是人類首次在超新星爆發前預言超新星爆發的精確時間與地點!雖然這是以這個超新星的其他像作為依據進行的預測,也足夠激動人心。它的出現,也又一次宣示了科學理論之美。有一位非常著名的物理學大師(這裡就不點其名了)曾經說:理論物理學能夠用幾個簡單的公式描述甚至預測現實物理世界,是奇迹中的奇迹。現在,我們也可以感受到一些天體物理上的理論,也是奇迹中的奇迹。”

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

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

抓現行:哈勃發現預期中的第 5 個超新星像 - 譯文快遞 - 中國天文科普網 -- 中國網上天文台

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

← 返回文章列表