一组天文学家通过翻阅“哈勃”空间望远镜的老照片发现了一颗115亿年前的超新星,表现出恒星死亡后仅数小时的状态,更有趣的是,由于引力透镜效应,照片上出现了同一颗超新星的三个像,为我们揭示出超新星爆炸后激波冷却的过程。
Abell 370背后的超新星(来源:NASA, ESA, STScI, Wenlei Chen (UMN), Patrick Kelly (UMN), Hubble Frontier Fields)
2010年,“哈勃”空间望远镜拍摄了著名的阿贝尔370星系团(Abell 370)的几张照片。这本身并不是一项开创性的壮举,但照片犹如一个巨大的宝藏,留下了丰富的遗产供人们挖掘。一组天文学家利用人工智能技术系统地搜寻了“哈勃”的档案照片,发现照片中令人难以置信的东西——遥远的刚刚爆发的超新星。
阿贝尔370星系团是阿贝尔星表中最远的一个星系团,拥有数百个成员星系,距离地球约40亿光年。听上去已经够遥远的了。但是这颗超新星并不在阿贝尔370当中,而是位于更加遥远的一个未知星系(或矮星系)中。这个星系远在115亿光年外,非常暗弱。幸好,它正好躲在质量巨大的阿贝尔370身后,在其巨大引力的作用下,这个未知星系发出的光线被扭曲了,出现了多个像,并且亮度得到了加强,使得我们在“哈勃”望远镜的图像中勉强可见。2010年12月,“哈勃”恰好拍到了该星系中爆发的一颗超新星,同样的道理使得画面中同时出现了三个超新星的像,非常显眼。这真是难得一见的场面。
引力透镜效应示意图(来源:ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.)
研究人员将观测数据导入模型中分析图像中的亮度和颜色等细节。模型预言前景星系造成的时空扭曲应该会创造出4个非对称的像——虽然源自同一个超新星,但是前景星系与、超新星所在的宿主星系、地球三者并不刚好在一直线上,加之时空发生扭曲,所以光线传达到地球所经过的路程并不一样长,因此,这4个像并不是同时出现。研究人员将4个像分别编号S1、S2、S3和S4,如果以S3为参考,它们出现的时间分别为第30.6天、第21.0天、第0天、第53.5天。可惜的是,“哈勃”在2010年12月拍摄下这张照片的时候,S4的光线尚未到达,因此,我们只能看到3个星点。
A:2011年至2016年之间的图像,能勉强看到三个背景星系。B:2010年12月拍摄到的三个超新星像。C:将图像B扣除图像A后得到新增三个亮点就是超新星像。D:三个通道图像的叠加,颜色越蓝表示温度越高,越红表示温度越低,显示出S1是超新星爆炸后不久的像,S3已经明显冷却。(来源:NASA, ESA, STScI, Wenlei Chen (UMN), Patrick Kelly (UMN), Hubble Frontier Fields)
“哈勃”空间望远镜的所有通道上都有记录,这能帮助天文学家很好地测定超新星的光度。一个超新星又分解成多个像,相当于一下子多了好几个样本,这真是天赐良机。经测定,S1、S2、S3的温度分别为55000度(K)、20000度和11000度。根据模型,这意味着S1是超新星爆炸后仅6小时后的样子,S2和S3分别是爆炸后第10天和第30天左右。并对照“哈勃”的观测记录后发现,这三张照片中的第一张是哈勃在核心坍塌后爆炸6小时后拍摄的,第二张和第三张分别是在爆炸后10天和30天左右拍摄的。这是天文学家第一次捕捉到年轻宇宙中(相当于宇宙仅经历了17%的年龄)一个刚刚发生的超新星。它也成为最古老的超新星之一。
Abell 370(来源:NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team (STScI))
宇宙创造了一个神奇的故事,让光线经历了奇妙的旅程,为我们创造了一个史无前例的对超新星进行详细观察的机会,助于科学家进一步了解早期宇宙中恒星与星系的形成与演化。这项研究成果发表在11月10日的《自然》杂志上。
参考资料:
[1] Hubble Captures 3 Faces of Evolving Supernova in Early Universe
(https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/hubble-captures-3-faces-of-evolving-supernova-in-early-universe)