【蔻享天文】哈勃眼中的奇妙宇宙（九）：宇宙中的海市蜃楼——引力透镜

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【作者建议：如果您没时间看完所有文字，可以先快速看完每张图。】

我们都知道，一块凸起的玻璃可以构成一个凸透镜，平行光通过凸透镜后，汇聚的那个点就是凸透镜的焦点。生活中使用的放大镜与老花镜的镜片都是凸透镜。

物体对光的引力也会汇聚发光天体发出的光线，产生类似于凸透镜的效应，这就是“引力透镜”。有的引力透镜只放大天体的亮度，因此被称为“弱引力透镜”；有的引力透镜不仅放大天体的亮度，还让天体形成双重像、多重像、弧，甚至圆环，它们被称为“强引力透镜”。

引力透镜是宇宙中极其壮观、极其罕见的现象。要想形成引力透镜现象，发光的物体（“光源”）与地球（观测者）之间必须恰好有一个质量足够大的天体系统（“引力透镜”），三者几乎连成一条直线。此外，发光的物体还要足够明亮。尽管存在种种观测上的困难，天文学家还是在过去几十年发现了众多引力透镜现象。

图：引力透镜形成原理的示意图。图中，观测者、充当透镜的星系 (lensing galaxy) 、充当光源的更远的类星体 (Quasar) 几乎在一条直线上，星系的强大引力使遥远的类星体产生了四重像。实际上，充当透镜的可以是星系团、星系、恒星甚至行星，光源可以是类星体、星系、恒星甚至超新星，见下文叙述。

Image Credit: Freddie  Pagani https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20200210a/full/ 

引力透镜产生的种种幻像就像宇宙中绮丽而壮观的海市蜃楼。

虽然宇宙中第一例引力透镜现象并非哈勃所发现，但在过去一些年，哈勃却观测到大量高清晰度的引力透镜现象，为人们理解恒星、星系、星系团、暗物质等研究对象做出了重要的贡献。更重要的是，引力透镜现象的某些类型由哈勃首先发现。在这一章中，我们介绍哈勃观测到的一些引力透镜现象。

以星系作为引力透镜

爱因斯坦在1912年首先计算了引力透镜效应，但未公开。1924年，苏联物理学奖奥雷斯特·柯沃森（ОрестХвольсон，英文为Orest Khvolson或Chwolson，1852-1934）发表了自己对引力透镜效应的研究论文。1936年，弗兰蒂斯克·林克 (Frantisek Link) 与爱因斯坦也先后发表了自己研究引力透镜效应的论文。柯沃森与爱因斯坦研究的都是以两颗恒星作为透镜与光源的情况，计算出的环与双重像的张角都非常小。因此他们都断言，引力透镜形成的晕/环或双重像不能被观测到。

1937年，美国天文学家弗里茨·兹威基 (Fritz Zwicky, 1898-1974) 提出：宇宙中的星系可以作为引力透镜与光源。兹威基认为，使用星系来作为引力透镜，既可以为验证广义相对论提供更多证据，还可以看到一些原本暗弱地无法看到的星系，并能够用来确定出星系的质量。

奇怪的知识：在兹威基写那篇论文时，星系的平均质量有两种值：太阳质量的10亿倍与太阳质量的4千亿倍，后者恰是兹威基得到的。后来天文学家用其他方法先证明了兹威基的数据是正确的。由于历史的原因，兹威基当时以“星云”（英文单数为Nebula，复数为Nebulae）来称呼星系。

1963年，比银河系亮得多的类星体被发现。此后，苏联天文学家于·克里莫夫 (Yu. G. Klimov) 与挪威天文学家舒尔·雷夫斯多 (Sjur Refsdal, 1935-2009) 分别独立地提出：类星体作为光源，受引力透镜作用产生的多重像最容易被发现。（据ADS的索引结果，克里莫夫只在1963年与1964年发表过论文，很可能在1964年之后就改行了。）

四重像与爱因斯坦十字

如果强引力透镜引起对称分布的四重像，它们就被称为“爱因斯坦十字”。“爱因斯坦十字”于1985年第一次被发现。

下图为哈勃观测到的几个强引力透镜现象。遥远的、明亮的类星体发出的光被星系所扭曲，形成多重像。其中左下方图中的像构成了标准的“爱因斯坦十字”。

图：哈勃的高级巡天相机 (ACS) 于2003年与2004年发现的众多引力透镜类星体中的四个事例。这张图于2020年1月13日被公布。图中，遥远的类星体发出的光向地球传来，在经过路程中间的大质量星系时，光线被后者偏折，从而产生了多个像。

Credit: NASA, ESA, S.H. Suyu (Max Planck Institute for Astrophysics, Technical University of Munich, and Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics), and K.C. Wong (University of Tokyo’s Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe)

https://esahubble.org/images/opo2004a/ 

奇怪的知识：第一个被确认的引力透镜现象就是一个类星体的双重像。这个类星体的编号是SBS 0957+561，它的双重像分别为SBS 0957+561A与SBS 0957+561B。1979年3月29日，三位美国天文学家Dennis Walsh, Bob Carswell与Ray Weymann利用基特峰天文台上的2.1米口径的光学望远镜发现了这对“双胞胎类星体”，后续的分析表明这是同一个类星体发出的光经过一个星系时产生的引力透镜双重像。这个类星体的红移是1.405，发出的光穿行了91.6亿年才到达地球，与地球的距离为138.67亿光年。相关论文于1979年发表于Nature（《自然》）。

图：哈勃的WFPC2拍摄的位于飞马座方向的星系UZC J224030.2+032131与其周围形成的爱因斯坦十字，后者是一个非常遥远的类星体，受这个星系的引力作用而形成的四重像。这个类星体发出的光经过大约110亿年才达到地球。星系-地球的连线与类星体-地球连线的夹角极小，小于0.05角秒，三者几乎完全在一条直线上，因此形成了这个罕见的爱因斯坦十字。

Credit: ESA/Hubble & NASA

https://esahubble.org/images/potw1204a/ 

奇怪的知识：类星体中心是超大质量黑洞，黑洞吞噬周围物质，物质在下落的过程中会产生内部的摩擦，从而制造出大量热，发出强光。由于黑洞吞噬物质的速度并不稳定，导致类星体的亮度会产生变化。天文学家观测同一个类星体的多重像的亮度变化的时间差，就可以判断出从不同方向传过来的像之间的时间差，从而计算出充当透镜的那个星系内部的质量分布规律。1979年被发现的双胞胎类星体，两个像到达地球的时间差是14个月。

第一个被发现的引力透镜五重像

哈勃的强大观测能力使它成为首次观测到引力透镜五重像的望远镜。这次充当透镜的是编号为SDSS J1004+4112的星系团，它的红移是0.68，发出的光在宇宙中穿行62.6亿年才到达地球，它现在与地球的距离为80.78亿光年。

一个遥远的类星体发出的光经过这个星系团附近时，星系团的引力透镜效应使后者产生五重像。这个类星体的红移为1.74，发出的光在宇宙中穿行99.38亿年才到达地球，它现在与地球的距离为158.61亿光年。这个类星体所在的星系的外围部分在图中成为一条条红色的弧，穿过蓝白色的光斑。

此外，这个星系团还使另一个更遥远的星系产生了光弧。这个星系的红移为3.33，它发出的光在宇宙中穿行了118亿年、经过221.4亿光年的距离才到达地球。

图：哈勃的ACS拍摄的一个引力透镜类星体的五重像，如图中蓝色圆圈所标记。这五个像中，四个像清晰可见，另一个像则与星系团中心的那个亮星系的像重叠。这个强大的引力透镜还使远处的其他星系形成了3条光弧，如图中椭圆形所圈出。图中黄色圆圈中的一个小亮点是一个超新星。

Credit: European Space Agency, NASA, Keren Sharon (Tel-Aviv University) and Eran Ofek (CalTech)

https://esahubble.org/images/heic0606d/ 

柯沃森-爱因斯坦环

当一个遥远的星系与地球之间连成的线几乎恰好穿过处于二者之间的星系的中心且这个星系的质量分布呈现球对称时，这个星系会使遥远的星系形成一个圆环像。

柯沃森在1924年的论文里首先研究了这类环，爱因斯坦在1936年的论文里也独立研究了这类环并给出了环的角半径的具体表达式。虽然二者研究的都是以恒星为透镜与光源的情形，但原理是一样的。

这样的环因此被称为“柯沃森环”、“爱因斯坦环”或“爱因斯坦-柯沃森环”。尽管绝大部分科普采用“爱因斯坦环”，但“柯沃森环”或“柯沃森-爱因斯坦环”才是更合适的称呼。我们这里采用最后一种。

如果形成的是一个破缺了一小部分的圆环，这样的柯沃森-爱因斯坦环也被称为“宇宙马蹄铁”。

奇怪的知识：柯沃森-爱因斯坦环于1988年被第一次被发现——出乎很多人意料的是，它是在射电波段被发现的。

下图为哈勃的第3代宽场照相机 (WFC3) 拍摄的一个柯沃森-爱因斯坦环，它位于狮子座方向，于2007年首先被斯隆数字巡天 (SDSS) 望远镜发现，但后来由哈勃给出的图像更加清晰、壮观。图中位于环中心是一个“亮红星系” (LRG 3-757) ，它的质量大约是我们的银河系的质量的10倍。

图：哈勃的WFC3拍摄的一个“宇宙马蹄铁”。这是一个遥远的星系发出的光被相对近的亮红星系扭曲后形成的柯沃森-爱因斯坦环。这个遥远的星系的红移高达2.379，它发出的光经过大约109.35亿年才传播到地球。

Credit: ESA/Hubble & NASA

https://esahubble.org/images/potw1151a/ 

一张古老的宇宙笑脸

星系引力产生的引力透镜现象还会产生更让人惊奇的图形。下图中的两个星系（SDSSCGB 8842.3 与 SDSSCGB 8842.4）位于大熊座方向，它们的红移是0.434，发出的光在宇宙中穿行45.95亿年才到达地球，与太阳系的年龄（约46亿年）几乎相等。换句话说，这张笑脸在太阳系刚诞生前后不久产生了。这对星系现在与地球的距离为54.96亿光年。

它们的引力使更远得多的星系发出的光变成了两个圆弧，仿佛脸部轮廓；这两个星系自身像一对眼睛，附近的一个白色星系就像鼻子；这些图案组合成一个宇宙中的笑脸。

图：哈勃得到的一张宇宙笑脸。哈勃的WFPC2与WFC3得到的光学与近红外数据合成了这张图。

Credit: NASA & ESA

https://esahubble.org/images/potw1506a/ 

史上最大：天炉座的一个“熔化的戒指”

GAL-CLUS-022058-38303是一个非常有特色的柯沃森-爱因斯坦环：它不仅是最完整的柯沃森-爱因斯坦环之一，也是最大的柯沃森-爱因斯坦环。同时，它还像是一个正在熔化的戒指。巧的是，它位于南半球上空的天炉座方向，仿佛正在被天上的炉子所熔化。

图：哈勃的WFC3拍摄的柯沃森-爱因斯坦环GAL-CLUS-022058-38303的光学与近红外合成图像。

Credit: NASA / ESA / Hubble / Saurabh Jha, Rutgers the State University of New Jersey / L. Shatz.

https://esahubble.org/images/potw2050a/ 

GAL-CLUS-022058-38303的张角达到了大约20角秒，而同类的环一般只有几角秒。组成这个环的两个圆弧分别来自不同的星系，它们发出的光被一个椭圆星系的引力扭曲为半个环，二者拼接为一个环。这两个充当光源的星系很可能构成了一对相互作用星系。

充当透镜的椭圆星系的红移是0.36，它发出的光在宇宙中前进了39.86亿年才到达地球，走过的对应距离是46.46亿光年。这个星系位于一个星系团之中，星系团中的其他星系也扭曲了这对遥远的星系，这可能是这个环显得像被熔化的原因。

根据笔者找到的观测申请记录 (https://www.stsci.edu/hst/phase2-public/13756.pro) ，这个史上最大的柯沃森-爱因斯坦环早在2014年就被观测到，但直到2020年12月NASA才将被重新处理过的图像公布出来。此后，这个图像迅速被众多国际媒体争相报道。

并合星系制造出的环

星系团SDSS J1336-0331位于室女座方向，红移为0.176，与地球的距离为23.76亿光年。这个星团内最亮的星系是处于并合阶段的椭圆星系。这些椭圆星系本来不再快速形成恒星，但是并合过程导致星系内的古老气体被挤压，从而促使这些气体快速形成恒星。这个星系团内的并合星系的强大引力，使远得多的一个星系的像成为一个柯沃森-爱因斯坦环。

图：哈勃的WFC3拍摄的星系团SDSS J1336-0331与其内部的并合星系周围形成的柯沃森-爱因斯坦环。

Credit: ESA/Hubble & NASA

https://esahubble.org/images/potw1829a/ 

柯沃森-爱因斯坦环的猎手：SLACS项目

哈勃的很多引力透镜观测涉及到的星系与斯隆数字巡天有关。这是因为斯隆数字巡天拍摄过海量的星系图像与光谱。事实上，过去一些年，天文学家还将斯隆数字巡天望远镜与哈勃结合在一起，构成一个项目：SLACS。SLACS的前两个字母表示斯隆透镜 (Sloan lens) ，此处透镜表示引力透镜。SLACS的后三个字母表示哈勃的ACS。

这个项目的思路是：斯隆从观测到的众多星系与类星体中寻找那些和地球连成几乎一条线的“星系/类星体对”，这样的对的出现率仅仅为1000分之1到500分之1。哈勃的ACS拍摄这些星系对所在的位置。通过这个方法，SLACS项目找到了一批柯沃森-爱因斯坦环。

图：SLACS找到的众多柯沃森-爱因斯坦环的一部分。

http://www.physics.utah.edu/~bolton/slacs/Home.html 

为什么斯隆找到那些“对”后不自己去观测而要哈勃去观测？下图的左右分别是斯隆拍摄的图像与哈勃的ACS拍摄的图像，看完就明白了。 

图：斯隆拍摄的星系（左）与哈勃的ACS拍摄的同一个星系（右）。哈勃拍摄的图可以清晰地看出星系周围的柯沃森-爱因斯坦环。

http://www.physics.utah.edu/~bolton/slacs/What_is_SLACS.html 

以星系团作为引力透镜

星系团由众多星系构成，质量与分布范围都比星系大得多。对于一个星系团，它既可以整体作为一个透镜来产生引力透镜现象，它中间的那些星系也可以各自构成引力透镜，二者叠加会产生更复杂多变的引力透镜现象。比如，上面提到的1979年被发现的那个“双胞胎类星体”，制造出这对双重像的不仅有那个星系，还有那个星系所在的那个星系团。

“哈勃边疆场”的引力透镜奇观

下图为著名的“哈勃边疆场”观测的6个星系团之一，编号为MACSJ0717.5+3745，位于御夫座方向，红移为0.548、与地球的距离为67.39亿光年。

图中不仅显示了这个星系团中众多美丽的星系，还显示出众多圆弧与线段，它们都是更远的星系发出的光被这个星系团的引力扭曲后形成的。它也是至今为止被发现的质量最大的引力透镜；在所有已知的引力透镜星系团中，它扭曲的天区也是最大的。

图：哈勃的WFC3拍摄的星系团MACSJ0717.5+3745中的众多星系与众多圆弧与条纹。这些圆弧与线段是遥远的星系被这个星系团引力扭曲后形成的引力透镜图像。

Credit: NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

https://esahubble.org/images/heic1523b/ 

奇怪的知识：哈勃边疆场。2013年10月到2016年9月，哈勃的ACS与WFC3分别观测了6个星系团与附近的“平行天区”，这6个星系团分别是Abell 2744, MACS J0416.1-2403, MACS J0717.5+3745, MACS J1149.5+2223, Abell S1063与Abell 370。这个项目被称为“哈勃边疆场”，共使用了哈勃840圈的观测时间。哈勃边疆场的主要目标是：通过这些星系团对远得多的星系的引力透镜效应，来研究那些极端遥远的星系的性质。

用引力透镜寻找暗弱的遥远星系

引力透镜会放大物体的亮度，这个重要性质使得天文学家可以发现原本暗弱到无法被观测到的极端遥远的星系。

2018年，天文学家利用引力透镜效应发现了一个星系，它的编号为SPT0615-JD1，红移高达10，形成时宇宙的年龄只有大约5亿年。

这个星系原本暗弱到连哈勃都无法看到，但一个编号为SPT-CL J0615-5746星系团放大了它的亮度并使其图像成为一个圆弧，从而使它被哈勃观测到。这是迄今为止我们能看见的最遥远的星系之一。这个星系的质量仅为太阳的大约30亿倍，是银河系的大约100分之1。

图：哈勃借助引力透镜效应发现的远古星系SPT0615-JD1的光学与近红外合成图像（图中被放大在方框中的红色棒状物），光学与近红外的各波段数据由ACS与WFC3分别获得。

Credit: NASA , ESA, and B. Salmon (STScI)

https://esahubble.org/images/opo1802a/ 

奇怪的知识：SPT0615-JD1并非至今为止被发现的最古老的星系。2016年，由耶鲁大学的天文学家领衔的一个团队宣布，他们利用哈勃的WFC3得到的红外光谱，确认了一个红移高达11.09的星系GN-z11，误差范围是+0.08与-0.12。2020年，北京大学的天文学家领衔的团队宣布，他们利用美国Keck望远镜于2017年得到的光谱，确定出这个星系的精确红移是10.957，略低于此前得到的红移的下限，接近11，所以“z11”这个编号还能继续用。这个星系发出那些被哈勃探测到的光的时候，宇宙的年龄才4亿年，这才是至今为止被发现的最古老的星系。

四点一线：双重柯沃森-爱因斯坦环

比柯沃森-爱因斯坦环更罕见的是双重柯沃森-爱因斯坦环。只有观测者、充当透镜的天体系统、两个光源形成“四点一线”的情况下，才有可能产生这样的双环结构。通过SLACS项目，Gavazzi领衔的天文学家团队借助哈勃拍摄的图像，于2007年首次确认了这样的双重环。

这次惊人的双重环现象中，充当透镜的是一个编号为SDSSJ0946+1006的星系团，红移为0.222，对应的距离为29.64亿光年。一个红移为0.609、对应距离为73.71亿光年的星系在这个星系团的引力作用下形成了内部的那个环。另一个远得多的星系则形成了更大的那个环，它与地球的距离大约是相对近的那个星系的2倍。两个环套在一起，就像一只牛眼。

图：哈勃的ACS拍摄的一个双重柯沃森-爱因斯坦环的近红外图像。两个距离不同的遥远星系在一个相对近的星系团的引力作用下，分别形成大小不同的两个环。左图为原图，右图为扣了环内的星系的图像后的图像。

Credit: NASA, ESA, and R. Gavazzi and T. Treu (University of California, Santa Barbara)

https://esahubble.org/images/heic0803a/

Gavazzi等人在汇报这个发现的论文 (https://iopscience.iop.org/article/10.1086/529541/pdf) 中指出，根据他们的计算，这个充当透镜的星系团的质量中有大约73%为暗物质。他们还指出，如果能够观测到50个这样的双重环，就可以将一些宇宙学参数限制到10%的精度以内。

根据这个Gavazzi等人的分析，距离地球相对近的那个星系不仅作为光源产生了内环，还作为另一个引力透镜干扰了距离地球相对远的那个星系发出的光。换句话说，远距离的那个星系经历了两个引力透镜的作用。根据这个分析，这个团队计算出离地球相对近的那个光源的质量——大约为太阳质量的10亿倍，是一个矮星系。

图：双重环的形成原理图。图中最远的星系 (S2) 发出的光先被相对近的星系 (S1 ) 的引力影响，然后又被最近的星系L1影响，形成外环。S1发出的光被L1影响，形成内环。S1既作为光源，也作为透镜。此图来自Gavazzi等人的论文的预印本，其正式出版的论文提供了黑白图。

Credit: R. Gavazzi et al. arxiv: 0801.1555

https://arxiv.org/pdf/0801.1555.pdf

LRG-3-817：半个柯沃森-爱因斯坦环

星系LRG-3-817的红移为2.26，它发出的光在宇宙中穿行了107.84亿年、经过183.85亿光年的距离才到达地球。

星系团SDSS J090122.37+181432.3的红移为0.346，它发出的光在宇宙中穿行了38.64亿年、经过44.81亿光年的距离才到达地球。

星系LRG-3-817发出的光在向地球传播的过程中，被星系团的强引力扭曲为长圆弧，出现在星系团的左边，成为半个柯沃森-爱因斯坦环。

图：哈勃的WFC3拍摄的星系团SDSS J090122.37+181432.3的可见光图像与近红外合成图像。高红移(远距离)星系LRG-3-817朝着地球发出的光被途中的这个星系团扭曲为弧形，出现在星系团左边。这个星系由“斯隆明亮弧巡天” (Sloan Bright Arcs Survey) 项目发现。

Credit: ESA/Hubble & NASA, S. Allam et al.

https://esahubble.org/images/potw2045a/ 

作者注：上面这个网址将星系团SDSS J090122.37+181432.3与星系LRG-3-817的混为一谈，此处纠正这个错误。但因为图来自这个网址，因此我们必须贴出它。星系LRG-3-817的红移来自这个会议摘要：

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009AAS...21342421H/abstract。

引力透镜导致的超新星多重像

上面介绍的引力透镜现象中，产生多重像的都是星系或类星体。不过，引力透镜的光源可以是各种各样的。比如，早在1964年，舒尔·雷夫斯多就在一篇重要的论文中首先提出：超新星发出的光经过星系团时也会形成双重像，这种现象可以用来限制宇宙学参数。

雷夫斯多超新星

引力透镜超新星多重像实在太罕见、太难观测，因此直到雷夫斯多的论文发表之后50年的2014年11月11日，利用哈勃执行“玻璃 (GLASS) 项目”的天文学家们才在哈勃拍摄的一张图像中首次发现了这个现象：一个超新星发出的光经过星系团MACS J1149.6+2223时，被这个星系团中的一个星系变为四重像，构成一个完美的“爱因斯坦十字”。

图：哈勃的WFC3拍摄的星系团MACS J1149.6+2223内的图像，里面出现了一个超新星的四重像。这4个像构成了一个完美的爱因斯坦十字。

Credit: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

https://esahubble.org/images/heic1505a/ 

奇怪的知识：玻璃 (GLASS) 项目。玻璃是“空间棱镜放大巡天” (the Grism Lens Amplied Survey from Space, GLASS) 的英文缩写，这个项目使用哈勃来观测、研究10个大质量星系团的引力透镜现象，其中5个为“哈勃边疆场”观测过的目标。这个项目使哈勃成为史上第一个发现引力透镜超新星多重像的望远镜。

为了纪念雷夫斯多，这个超新星被称为“雷夫斯多超新星” (Refsdal Supernova)。

在这个超新星被发现的前几年，天文学家已经发现几个超新星被引力透镜放大亮度的例子，但没有发现引力透镜导致超新星多重像的例子。2014年的这次发现，为这个艰难的探寻画上了一个圆满的句号。

Kelly等人发表于Science（《科学》）的论文详细分析了这个引力透镜超新星。将超新星的像劈裂为4个像的星系是一个椭圆星系，它的红移为 0.542，它发出的光经过53.88亿年才到达地球，因为宇宙在膨胀，它现在与地球的距离为66.75亿光年。

这颗超新星的红移为1.489，它发出的光经过93.78亿年才到达地球，这段时间内，它发出的光跑了143.99 亿光年。不同小组的计算都确认了这个引力透镜放大了这颗超新星的亮度，放大率在10到30之间。

奇怪的知识：被观测到引力透镜超新星的星系团的编号为MACS J1149.6+2223，它在“哈勃边疆场”中的编号为MACS J1149.5+2223。数字1149.5、1149.6代表的是这个星系团在假想的“天球”上的“经度”，二者的差异很小；数字2223代表的是天球纬度。为了表述简便，小数点后的数字有时候会被省略。事实上，这里的2223就是一个简写，代表的是22度23分，省略了后面的55（秒）。1149.5与1149.6也在一些场合被缩写为1149。

天文学家对这个引力透镜超新星的研究与计算之后，断言：这个超新星经过这个星系团时，先被这个星系团变为3个像，其中一个像经过星系团内的一个星系时又被进一步分裂为4个像，最终共形成了6个像。

这6个像中，最早出现的那个已经在此前几年到达地球——不同小组给出的数字不同，最大的值是17年，但被错过了。2014年的图像看到了4个像，第6个像则会在此后大约1年时间左右到达地球。

2015年12月11日，哈勃在预定天区内发现一颗超新星，这就是理论预言的第6个像。这个发现验证了天文学家们此前的计算结果。

奇怪的知识：后续的分析研究还表明，这颗超新星是一颗大质量恒星爆炸后形成的，它的亮度演化模式很像1987年被探测到的SN 1987A。

图：超新星通过星系团MACS J1149.6+2223后形成6个像的示意图。这6个像中的4个于2014年被观测到；一个于2015年被观测到，最早的一个于2014年之前几年就已到达地球，但被错过了。

Credit: NASA & ESA

https://esahubble.org/images/heic1525c/ 

白矮星爆炸超新星的引力透镜多重像

2016年9月5日，位于加州帕洛玛峰帕洛玛天文台的“帕洛玛暂现源工厂” (PTF) 的巡天望远镜发现了一颗白矮星爆炸形成的Ia型超新星，它的编号为iPTF16geu。哈勃的后续的高精度观测将原本一团模糊的像分解为4个像，从而证明它是一个引力透镜超新星——这颗超新星被一个星系SDSS J210415.89-062024.7变为四重像。

图：多个望远镜拍摄的引力透镜超新星iPTF16geu及其周围天区的图像。大图为地面上的帕洛玛天文台的望远镜所拍摄，左下方圈出的区域放大后在左上方方框中显示，这是斯隆数字巡天望远镜所拍摄的图像。哈勃拍摄了其中的小块区域的图像，显示在上方三个小图的中间，它的核心部分被继续放大后显示在右上。哈勃的拍摄清晰地显示出4个超新星的像围着一个星系，这4个像来自同一个超新星，它发出的光被星系的引力所偏折，形成引力透镜现象，产生4个像。

Credit: ESA/Hubble, NASA, Sloan Digital Sky Survey, Palomar Observatory/California Institute of Technology

https://esahubble.org/images/heic1710a/ 

iPTF16geu的红移为0.409，它发出的光经过43.96亿年、穿行52.13亿光年才到达地球。Goobar等人2017年发表于Science（《科学》）的论文指出，这个超新星的亮度被星系SDSS J210415.89-062024.7放大了50倍以上。

被引力透镜放大亮度的恒星

2018年，Kelly等人在Nature Astronomy（《自然·天文》发表的论文中宣布，他们在研究引力透镜超新星时，在这个超新星附近找到了一个被引力透镜效应放大亮度的恒星。

图：由哈勃的WFPC2, ACS与WFC3得到的近红外数据合成的星系团MACS J1149.6+2223的图像，里面出现了一个被放大亮度的恒星的图像（红色圆圈内），附近是引力透镜超新星的四重像。

Credit: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI) https://esahubble.org/images/heic1807c/ 

这颗恒星的红移是1.49，哈勃探测到的光是它在93.8亿年发出的，它现在与地球的距离是144.06亿光年。研究表明，这是一颗蓝超巨星，寿命只有一千万年左右，所以它早已结束自己的生命。

这个恒星发出的光不仅受到星系团的引力的影响，还受到了星系团内一个天体的引力的影响，前者产生了引力透镜现象，后者产生了“微引力透镜”现象。充当微引力透镜的那颗天体的质量是太阳质量的3倍，可能是一个恒星或一颗恒星级黑洞。

星系团的引力将那颗遥远的恒星的亮度放大了大约600倍，而星系团内的那颗天体又将这个亮度放大了4倍，使得这颗恒星的亮度被放大了大约2400倍。这颗恒星是至今为止被发现的最远的单颗恒星，比第二远的那颗恒星远了至少100倍。如果不是引力透镜效应大大放大了这颗恒星的亮度，它本来不会被哈勃探测到。相关研究团队将这颗恒星命名为“Icarus”（伊卡洛斯，希腊神话人物）。

奇怪的知识：除了星系与星系团作为透镜的情形之外，过去一些年天文学家还发现了一些由恒星甚至行星的引力引起的微引力透镜现象。

结尾的说明：本文所有的计算都可以使用Edward L. Wright提供的在线计算网址 (http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html) 计算出。这个在线计算器假定当前的哈勃常数为69.6, 物质与暗物质占28.6%, 暗能量占71.4%。在左侧第三行空格（“z”左边的方框）内输入红移的值，点击“general”，右侧即给出各种量的数值，其中结果部分的第三行 (The light travel time was ……) 就是对应的天体发出的光在宇宙中穿行的时间，单位是10亿年；第四行的共动径向距离 (comoving radial distance) 就是我们文中所说的距离，单位为兆秒超级 (Mpc) 或10亿光年 (Gly) 。这个在线计算器的最后修改时间为2018年7月24日。在过去几年中，宇宙学家测出的一些宇宙学参数与此前的值相比，有了细微变化，因此根据这个计算器计算出的时间与距离与最新的数值会有非常小的差异，这些差异可以忽略不计。

编辑：王茹茹

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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