宇宙的透镜

　　原文标题：Galaxy Clusters: The universe's cosmic lenses
　　作者：Liz Kruesi 原文来自：Astronomy   Posted：2017年2月刊
　　编译：京晶   审校： （编译版权所有，未经许可请勿转载）

　　作为前沿场观测计划的组成部分，天文学家把哈勃空间望远镜对准6个星系团，为首的就是玉夫座的艾贝尔2744。这些星系团里聚集着明亮的星系和看不见的暗物质。它们的引力场放大了遥远宇宙中的天体，为科学家们研究早期宇宙提供了最佳视角。（图片来源：NASA/ESA/THEHST FRONTIER FIELDS  TEAM (STScI)）
　　一切始于一个简单的想法。2012年，空间望远镜研究所（管理哈勃空间望远镜的研究机构，简称STSc）的所长Matt Mountain请十几位天文学家为“哈勃”设计一个揭示早期宇宙和星系形成新知的观测项目。
　　在此之前，科学家们已经多次把“哈勃”对准看上去空无一物的天区（即天空中没有银河系星光的区域），并进行了数天的观测。在这些所谓的深场里，“哈勃”看到了几千个星系，达到了人类的观测极限。如果每一个空白天区里都有数千个星系，我们的家园——银河系肯定只是一千亿个、甚至更多个星系中的一个。这并非夸大之词。
　　不过，对于遥远的早期宇宙, “哈勃”还能带给我们什么样的、令人敬畏的其它发现呢？天文学家提出一个想法：把“哈勃”（人类建造的最精致的望远镜之一）的观测能力与巨大的星系团的放大作用结合起来。这些星系团通过玩弄引力把戏，放大了它们身后的背景天体。耶鲁大学的Priyamvada Natarajan说，研究小组里的每一位科学家都提出一个想法，然后大家对它们逐个进行讨论。她是小组里唯一一位研究星系团的成员。“我提出使用星系团。当大家一致认为那可能值得一试时，我激动极了。”
　　因此，在2012年12月，“哈勃”前沿场（简称HFF）观测计划诞生了。“哈勃”利用200万秒（对于上了年纪的“哈勃”来说，这段观测时间无比珍贵）研究了6个星系团及其身边的一个“空白场”(平行场)。“哈勃”在2016年年底完成了观测。天文学家已经测绘出暗物质在这些星系团里的分布情况，并找到了几百个第一代星系。尽管如此，他们期待在未来几年还会得到更多的发现。
　　宇宙中的物质成团
　　星系团的放大作用源于自身的引力场。几百至几千个星系在引力的束缚下聚集形成星系团。在X射线波段进行观测，你会看到星系成员之间充斥着几百万度的炽热、稀薄气体。如果只研究星系团的引力场，你会探测到有大量的、看不见的物质聚集在星系成员周围，弯曲了时空。这种“暗物质”就像胶水，把所有的星系成员和气体粘在一起；它们的总质量大约占了星系团质量的80%至90%。而星系团的质量巨大无比——是太阳质量的几百万亿至几千万亿（1后面跟着14或者15个零）。
　　如此惊人的巨大质量扭曲时空，使星系团好似一面透镜，改变了从它身边穿过的光的路径。你有没有透过古老的玻璃窗往外看过？由于玻璃物质分布不均，光在穿过玻璃窗时走过的路径不是直线。透过窗子看东西，东西就变形了。与此同理，如果有一个星系位于星系团的背后，它发出的光在穿过星系团周围的弯曲时空时也会发生偏折。实际上，背景天体发出的光会沿着多条路径从星系团身旁穿过。所以，我们通常会看到背景星系有好几个扭曲的像。

　　当背景星系发出的光从质量巨大的星系团中穿过，星系团就好像巨大的透镜弯曲了光传播的路径，并放大了光，使背景天体常常形成多个扭曲的像。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）
　　而且星系团不仅扭曲了光的路径，还增加它的亮度。HFF计划真正研究的正是这一点——增加背景天体（如星系和爆发的恒星）的亮度。这些天体存在于遥远的过去，如此一来，天文学家就可以用HFF星系团研究早期宇宙的暗弱天体了。
　　隔壁天区
　　天文爱好者使用的望远镜只能把天体发出的光传到一个仪器（人的肉眼、相机或其它类型的探测器）上，“哈勃”则没有这个限制。它携带了5台科学仪器，去分析从主镜面传到焦平面的光。“在焦平面，每个相机的视场位置稍稍有所偏移，”HFF的首席科学家、STScI的科学家Jennifer Lotz说。“当你把‘哈勃’的红外相机WFC3（广域相机3）指向星系团的中心，其它相机就会指向稍稍偏离中心的几处天区。
　　HFF的科学家们充分利用了这一点。他们用两台相机（WFC3在红外波段、高级勘测相机在可见光波段）同时观测星系团及其身边的‘空白场’。与之前拍摄的深场照片一样，天文学家使用这些“空白场”去仔细检查看上去空无一物的天区。“我们尽量以非常高效的方式使用‘哈勃’，每次同时打开两台相机进行观测，”Lotz说。
　　在“哈勃”绕地球转70圈的同时，他们控制望远镜的位置，让WFC3对准星系团，同时用ACS观测空白场。由于“哈勃”走到一半就会跑到地球的身后去，所以总共进行了280次曝光，每次曝光持续15至20分。

　　“哈勃”在红外波段用广域相机3(Wide Field Camera 3)观测前沿场，并同时在可见光波段用高级勘测相机（Advanced Camera for Surveys）观测前沿场附近的平行场。（上图展示了艾贝尔S1036星系团的前沿场及其平行场）6个月后，“哈勃”重新回到同一天区，交换相机对两个场进行观测。通过这种方式，天文学家就可以得到由红外辐射和可见光合成的图像。（图片来源：G.BRAMMER, D. MARCHESINI, ET AL. (2016) ）

　　（A）天鹤座星系团艾贝尔S1063的引力透镜不仅放大了遥远天体发出的光，还扭曲了它们的面貌。这种扭曲效果好像哈哈镜，把许多背景星系的像扭成弧型和条状。（图片来源：NASA/ESA/J. LOTZ (STScI)）

　　（B）艾贝尔S1063的平行场里只有几颗前景（银河系内）恒星（带四个尖的明亮光源），此外，就是形状各异、大小不等、距离不同的星系。有了这样的图像，天文学家就可以把6幅“空区”图像与“哈勃”以前拍摄的深场照片进行比较研究。（图片来源：NASA/ESA/J. Lotz(STScI)）
　　“因为我们需要星系团和空白场在可见光和红外波段的观测结果，这意味着我们需要等‘哈勃’从地球的身后转出来以后，再次进行观测，这样相机就能‘掉过头来’，” 观测团队的负责人、STScI的Anton Koekemoer说。他用“哈勃”为HFF项目拍摄了供科学研究用的所有图像。“通常只能等几个月以后才能再次观测。”
　　在几个月后重新观测同一个视场还有另一个好处：天文学家能够发现这两次观测的差异。这些变化可能是恒星耀斑或者恒星爆炸（超新星）引起的，能带来更多发现。
　　为透镜建模
　　天文学家把这6个星系团比作物质分布不均的眼镜。为了理解他们所看到的、位于星系团身后的东西，他们需要知道透镜的性质。有好几个研究组负责测绘星系团内部的物质分布。这项工作只能借助“哈勃”的锐眼和描述暗物质行为的理论模型才能完成。
　　为透镜建模的第一步是确认每一个背景天体的所有扭曲像——通常呈弧形或斑块状。在识别这些图像时，人脑可比电脑程序干得好多了，所以研究者们必须仔细检查每一张HFF图像。
　　然后，他们运行电脑程序来匹配这些扭曲像的位置。有7个不同的研究小组已经编好程序来实现这个目标了。程序基本上知道有看不见的暗物质团块围绕在星系团的星系成员周围。研究者们还必须输入背景天体的距离信息。程序稍微改变暗物质的质量和分布情况来重建观测结果。“只要透镜模型预测的（扭曲像的）位置与真实位置（即像在‘哈勃’图像中的位置）相符，质量分布就应该是正确的，”其中一个透镜测绘组的成员、英国杜伦大学（Durham University）的 Mathilde Jauzac说。
　　Jauzac及其他参与HFF项目的科学家使用这些透镜模型、“哈勃”拍摄的图像和其它望远镜的观测数据来研究星系团内部的动力学性质。其他学者则用这些模型解释星系团内暗物质的分布情况及其行为特征。
　　不过，这些透镜模型对那些研究星系团背后的天体的学者们来说也很重要。“了解透镜的放大作用能让研究背景宇宙的科学家把观测到的遥远星系的性质与其本身的性质（如光度、恒星形成率、恒星质量等等）联系起来，”另一个透镜建模组的组长、密歇根大学的Keren Sharon说。
　　实际上，打HFF项目一开始，对它的要求之一就是由6个选定的建模小组使用现有的“哈勃”的观测数据为透镜建立模型，并向天文学界提供他们的建模算法。随着项目的进行，建模小组发生了一点点变化（现在已经增加到7个），每个小组一使用了新的HFF图像建模，就要把最新版的模型公之于众。去年年底，在拍摄完艾贝尔370星系团的最后几张照片后，“哈勃”圆满完成了项目的拍摄工作。不过，所有数据的分析工作和透镜建模还需要多花一些时间。研究者们已经完成了艾贝尔2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745的透镜建模工作，此时正在调试MACS Jl149.5+2223、艾贝尔 S1063和艾贝尔370的模型。
　　调试过程包含了大量的尝试和错误，因此，天文学家又是如何知道他们的模型准确地反映了星系团的物质分布呢？2014年年底的一个惊人发现给他们提供了一个完美的检测工具。

　　右上：御夫座星系团MACS J0717.5+3745不仅是“哈勃”前沿场里最大的引力透镜，在已知的宇宙中也是最大的。这个巨大的星系和暗物质聚合体看起来由至少四个正在并合的子星系团构成。（图片来源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM(STScI)）
　　左下：MACS J0717.5+3745的多波段合成图像——把它发出的可见光（红、绿和蓝色）、X射线辐射（弥漫的蓝光）和射电辐射（弥漫的粉光）叠加在一起。多次碰撞形成的激波产生了大片的射电辐射区，而团块状的X射线辐射则表明四个子星系团正在并合。（图片来源：X-RAY:NASA/CXC/SAO/R.VAN WEEREN ET AL.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）
　　用超新星爆发检验透镜模型
　　还有好几个其它的观测项目依托于HFF。其中之一是空基透镜放大光谱巡天（Grism Lens-Amplified Survey from Space，简称GLASS）。该项目使用“哈勃”去收集6个前沿场星系团和另外4个大质量星系团身后的背景星系的光谱。GLASS项目组的一些成员也对搜寻星系团身后的超新星爆发（死亡恒星产生的耀眼的爆发）感兴趣。
　　为了找到这些爆发事件，GLASS项目的天文学家每隔几周就给同一个星系团拍照。然后，他们从旧图像中扣去新图像，去掉这期间没有变化的天体，例如星系团的成员星系或者背景星系。“我们用‘哈勃’拍摄这些漂亮的图像，然后去掉所有的漂亮天体；”南卡罗来纳大学的Steven Rodney说。“如果有任何东西发生了变化，例如一颗恒星在这段时间发生爆炸形成超新星，图像中就会出现一个明亮的点。”
　　GLASS分别在2014年11月3日、7日、10日为MACS Jl149.5+2223拍照。在比较这些图像时，Rodney的同事Patrick Kelly在扣除图像后立刻看到了三个亮点。“这个发现显然令我们大为惊喜；”Rodney补充说道。他们知道自己发现了独特的、难以置信的东西。在天文观测中，超新星通常显示为一个光点，同时出现三个光点意味着他们发现了超新星的多个透镜像——这样的现象前所未见。
　　而且观测时机不能再好了。“哈勃”正在进行HFF观测，将在11月20日再次观测这个星系团。当Kelly、Rodney和同事把11月20日拍摄的头几张HFF图像也加进来之后，三个亮点变成了四个。
　　这颗超新星位于星系团身后的一个背景旋涡星系的旋臂上。超新星爆发产生的辐射沿着四条光路经过星系团周围的扭曲时空。他们把这颗超新星命名为Refsdal，以此纪念挪威天体物理学家Sjur Refsdal。这位科学家早在50年前就已经从理论上预言了超新星在引力透镜的作用下可以形成多个像。
　　由于每条光路的路程长度稍有不同，光的传播时间也就各不相同。超新星总是迅速变亮，然后暗下去。Kelly、Rodney与团组成员在11月3日至20日观测了超新星的亮度变化。从这些微小的变化中，天文学家能够改善MACS Jl149.5+2223的质量分布图。“为了理解我们看到的、位于星系团身后的背景天体，你必须相信这些透镜模型是正确的，”Rodney说。
　　这个测绘组不仅提供了值得信任的透镜模型，还预测来年能够观测到超新星的第五个像。Jauzacs的团队则进一步估算出这个像将出现在2015年11月至2016年1月期间。
　　等到2015年12月11日，第五个像出现了。“这是我们第一次能够真正向整个天文学界证明透镜模型正确，透镜效应也很有用，我们可以信赖它们，”Jauzac说。

　　在很久以前，几个小星系团发生碰撞，并合形成了MACS J1149.5+2223（位于狮子座内）。2014年11月，在观测这个巨大的星系团时，天文学家在其中一个星系成员（下方）的周围发现了四个光点，后来证实它们是一颗超新星（被命名为Refsdal）的四个像。（图片来源：NASA/ESA/S. RODNEY(JHU)/THE FRONTIERSN TEAM; T. TREU(UCLA)/P. KEU.Y (UC BERKELE)/THE GLASSTEAM;J.LOTZ (STScI)/THE FRONTIER FIELDS TEAM;M.POSTMAN (STScI)/THE CLASH TEAM;AND Z.LEVAY(STScI)
　　看到暗弱的边缘
　　其他研究团队使用HFF星系团的放大本领去搜寻早期宇宙的最暗弱的星系。虽然理论已经预言了它们的存在，但还没有人找到过，因为它们发出的光太微弱了。
　　早期宇宙布满了中性氢（每个氢原子自带一个质子和一个电子）气体。但在这些暗弱的矮星系里形成的第一批恒星既炽热又明亮，发出大量紫外辐射。这些高能辐射剥离了氢原子里的电子，使早期宇宙变成了电离气体的汪洋。所以，这些恒星就像早晨的阳光驱走雾气一般，把挡光的中性氢一扫而净。（由于在宇宙大爆炸后38万年，电离气体也曾充斥整个宇宙，所以天文学家把第一批恒星电离气体的这个过程称为“宇宙的再电离”。）
　　虽然再电离理论听上去合情合理，但科学家至今还未探测到足够多的早期矮星系来解释整个宇宙的再电离。“我们需要找到更暗弱的星系，我们猜想这类星系应该有更多，”耶鲁大学的Hakim Atek说。“多亏了前沿场星系团，我们能够把探测极限往前推。”星系团能把这些暗弱星系的光放大30倍，他补充道。
　　Atek在瑞士的洛桑联邦理工学院（Ecole Poly technique Federale de Lausanne）从事研究期间，领导了发现这些星系并估计其紫外辐射的工作。天文学家在三个星系团艾贝尔2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745身后及临近的空白场里一共找到了大约250个矮星系。
　　多种辐射
　　把“哈勃”拍摄的图像与其它几个望远镜的观测数据结合起来，是获得发现的另一种方法。“多波段观测是获得星系团的完整图像的唯一方法，”研究星系团动力学的学者、斯坦福大学的Georgiana Ogrean说。
　　天文学家正在用对红外辐射灵敏的斯必泽空间望远镜观测这6个星系团，花费100个小时为它们挨个拍摄图像。斯必泽望远镜看到的天体要比“哈勃”看到的天体温度低些。
　　有了红外波段和可见光波段的观测，天文学家就能研究尘埃和恒星，不过，星系团里的气体该如何研究呢？这就要靠太空里的钱德拉X射线天文台和XMM-Newton望远镜了。它们负责捕捉炽热气体，还有一些星系和恒星发出的辉光。

　　左上：天文学家在观测波江座星系团MACSJ 0416.1-2403，还有MACS J0717.5+374S 和艾贝尔2744时，找到了数百个在宇宙仅6亿至9亿年老时形成的星系。（图片来源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM  (STScI)）
　　右下：“哈勃”在可见光波段为星系团MACSJ0416.1-2403拍摄的图像（红、绿和蓝色），还有几乎重叠的X射线辐射（弥漫的蓝色辉光）和射电辐射（弥漫的粉色辉光）。天文学家解释说，X射线辐射和射电辐射的大部分重叠分布（呈现为紫色）意味着这些子星系团刚刚开始并合过程。（图片来源：X-RAY:NASA/CXC/G.OGREAN ET Al.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）
　　另一个以HFF计划为基础的项目使用“哈勃”捕捉紫外辐射，去寻找炽热的年轻恒星。天文学家还使用地面的射电望远镜观测正在形成恒星的星系、活跃星系的中心区域以及观测天区内的弥漫射电源。
　　Ogrean与同事把各波段的观测结果结合起来，对3个HFF星系团展开细致的研究。他们发现MACS Jl149.5+2223是几个小星系团在很久以前并合而成；MACS J0416.1-2403则正处于并合初期；而MACS J0717.5+3745“是目前已知最复杂的、正在并合的系统，至少有4个子星系团正在并合中。”她说。
　　还有其他几个团队也把各种辐射结合起来研究，去了解星系团的性质。天文学家还借助其它创造性的方法，使用HFF图像去探索宇宙。实际上，截至目前有90多篇已经发表在科学期刊上的学术论文使用了这个项目的观测数据，而且这些还只是HFF图像的初步分析结果。
　　“是的，HFF图像非常棒，”Sharon说。“不过，当你在观测数据中认出透镜证据，并把它带入正确的公式，亲眼看到物理定律发挥作用，这才是真正的迷人之处。我们现在能用技术测量这些现象，生活在这样的时代，我感到非常幸运。”
　　在未来几年，天文学家将继续深入理解每个星系团里正在发生的事，还会梳理出这些星系团身后的背景天体的更多线索。