預言超新星爆發，天象能預測過去發生的事嗎？ 科學占卜師做到了

歡迎收看老明的頻道 公元185年 東漢中平二年 詭異的天象出現了 這一年10月 詭駭日的夜晚 天空中突然出現了一個五彩大圓盤 看上去有半張牀那麼大 大圓盤時亮時暗 整整八個月後才消失不見 可以想象 這對當時的人有多麼大的震撼 爲什麼震撼 搞不懂啊 天上突然跳出了一個五彩大圓盤 以古代人對宇宙的瞭解 他們的確不知道這種天象意味着什麼 是兇是吉 是神佛降臨還是世界末日 推測他們是非常緊張的 整個事件都被記錄在後漢書天文志裏 這是人類歷史上第一次記錄 超新星的爆發 今天要講的故事 同樣是一個超級震撼的故事 也是關於超新星的 但是這一回不再是記錄超新星爆發 而是預言超新星爆發 對天文學有所瞭解的朋友會說 那怎麼可能呢 我們看到的滿天星空都是過去的影像 星星離我們越遠 它發出的光到地球上的時間就越久 怎麼可能去預言一件過去發生的事呢 這就是這個故事不可思議的地方 提前預知超新星的爆發 對人類意味着什麼 科學家能否成功 有關這個一波三折的故事 我們還得從頭說起 時間要回到2014年的11月 以加州大學伯克利分校的帕特里克·凱利 和南卡羅萊納大學史蒂夫·羅德尼 爲首的科學家 組織了一個天文小分隊 他們正在研究一種非常古怪的天文現象 稱爲引力透鏡 什麼是引力透鏡 在宇宙深處遙遠的光源和地球之間 有時會存在着一個大質量的天體 有可能是黑洞 星系 或者是更大的星系團 這些天體的質量太龐大了 它們強大的引力場會彎曲周圍的空間 這是愛因斯坦廣義相對論闡述的 空間的性質 當光經過這片彎曲空間時 通過這個區域的光線也被彎曲了 就像是光經過了一面透鏡一樣 除了能彎曲光 巨大的重力場就像放大鏡 它可以聚焦背後天體的光線 放大遠處的光源 增加光源的適量度 天文學家就稱這種效應爲引力透鏡 引力透鏡對於研究遙遠的天體特別有用 天文學家的目標 就是利用這種神奇的效應去探索宇宙 凱利和羅德尼的主要任務 是分析天文照片 到2014年年底的時候 有一張奇怪的照片進入了他們的視野 這是一個叫做MACS-J1149.5 這個名字很拗口 但是在天文學上有非常清楚的含義 MACS是大尺度星系團尋天的意思 J表示一個座標系統 代表以2000年1月1日12時 這個時間點爲起始點 全天球天體位置和運動狀態的 一個天文座標系統 1149.5指的是赤經11度49分5秒 J2223指的是赤尾正22度23分 有了這個名字 這個星系團的位置就非常清楚了 全世界的天文學家都可以找到這個星系團 這張照片中有一處非常古怪的影像 就是這個紅色圓圈中的影像 我們普通人看不出來 但是訓練有素的天文學家一眼就能看出 這是一個愛因斯坦十字 什麼叫愛因斯坦十字 引力透鏡會將遙遠的光源扭曲成弧形線形等各種形狀 但是有三種情況最特殊 如果光源透鏡與觀測者恰好處在一條直線上 因爲所有的光都會均等的繞着透鏡運動 我們就會看到一個圓圈 這就是愛因斯坦環 如果光源透鏡與觀測者不在一條直線上 而是稍微的錯開 就會看到斷開的愛因斯坦環 形成了兩個半圓 如果光源透鏡與觀測者處在一條直線上 但是透鏡並不是一個圓 而是橢圓形的 那就會得到四個十字星的圖像 這種情況就稱爲愛因斯坦十字 這是難得一見的宇宙圖像 凱利和羅德尼決定利用這個星系團認真地探索一番 時間來到2014年12月 使用光譜儀拍攝分析 凱利和羅德尼大吃一驚 爲什麼吃驚 因爲這個小亮點太不一般了 它是一顆超新星 過去愛因斯坦十字顯示出的天體 主要有兩種類型 第一是類星系 就是黑洞在吞噬大質量天體時發出的光 第二是一整個星系發出的光 而這一回卻是一顆超新星 爆炸產生的光在短期內超過了整個星系的亮度 光向四周傳播 經過了漫長的時間 其中的一部分光線經過了一個巨大的物體 這個物體強烈地扭曲了周圍的空間 形成了一個引力透鏡 被扭曲的光繼續前進 恰好被地球所觀測到 凱利和羅德尼想起 在1964年 挪威天文學家蘇爾·雷夫斯大爾有一個神預言 他說可以利用引力透鏡折射後的超新星 來測量宇宙的膨脹率 沒想到半個世紀後 這種奇特的宇宙天象真的被發現了 很可惜 雷夫斯大爾在2009年去世了 沒能親眼看到他的預言成真 爲了紀念他 天文學家就將這顆超新星命名爲雷夫斯大爾 時間來到2015年初 經過長達兩個月的觀測 凱利和羅德尼發現了更加令人興奮的情況 從2014年11月11日第一次記錄以來 四個超新星影像的亮度 在不同程度的分別變暗 就像節目開頭講的那顆超新星 用了八個月的時間才完全消失 但是爲什麼這四個小點的亮度是不一樣的呢 這是因爲光到達地球的時間是不一樣的 因爲光走的路徑不一樣 路程長的光到達地球的時間就會晚一些 另外還有一點 光越靠近引力大的區域 那裏時間流逝的就越慢 這就是愛因斯坦狹義相對論中的中慢效應 在以前很多的節目裏都介紹過了 所以這四個小點的亮度不一樣 它們最終消失的時間也不一樣 這些變化就像是宇宙的尺子與時鐘 可以讓科學家瞭解非常多的信息 現在我們再回過頭來看一看這張天文照片 在圖中標出了三個小紅圈 這三個小紅圈其實都是一個星系 這是怎麼回事呢 原來MACS G1149.5加2223星系團 是一個非常巨大的引力透鏡 光線在經過這個透鏡時 產生了非常複雜的折射 所以同一個星系在圖中出現了三次 凱利和羅德尼計算 第一個小紅圈內的影像走了最近的距離 它們早在1995年就到達地球了 但很可惜當時沒有照片記錄 所以看不到最先的影像 現在我們再看中間的這個小紅圈 詭異的事情出現了 這個小紅圈裏居然沒有超新星的影像 這說明這個影像是最後到達的 在地球接收到這個影像的時候 超新星還沒有爆炸呢 這真是太神奇了 時間來到2015年3月 凱利和羅德尼產生了一個大膽的想法 他們想通過觀測第三個星系的影像 這是人類歷史上 第一次對超新星爆炸進行預測 爲什麼要做這件事 有一個重要的原因 就是推算宇宙膨脹率 所謂宇宙膨脹率 簡單的說 就是宇宙中的星系隨着時間的流逝 遠離地球的速度 因爲最早是由天文學家哈勃提出的 所以又稱爲哈勃常數 早在1929年 美國天文學家哈勃就發現 幾乎所有的星系都在離銀河系遠去 距離越遠 退行的速度就越快 這說明我們的宇宙正在不斷的膨脹之中 但是膨脹的係數是多少 也就是哈勃常數到底是多少 科學家一直都不能給出準確的答案 不但無法確定 還有兩種完全不同的計算結果 第一種 是在星空中尋找能確定 絕對光度的恆星 一種稱爲EA型的超新星 然後將這顆超新星的距離 與星系紅移的速度結合起來 可以計算出宇宙膨脹的速度 這種方法稱爲距離梯度法 他得出的哈勃常數爲 每百萬秒差距74公里 百萬秒差是個距離單位 約等於326萬光年 這意味着一個星系如果有100萬秒差距 它將以每秒74公里的速度遠離我們 如果其他的星系距離更遠 那麼它們的退行速度就更快 第二種方法 是根據宇宙微波背景輻射計算出來的 宇宙最早是非常熱的 然後慢慢的冷卻下來 早期的熱輻射就變成了微波 充滿了宇宙的各個角落 今天宇宙的溫度非常冷 但是從大尺度上看 仍然有非常微小的差異 科學家們利用一種 叫做拉布達CDM的宇宙學標準模型 可以計算出宇宙的膨脹率 這個數字是多少呢 每百萬秒差距67公里 一個74 一個67 好像只差了7公里 其實不是這樣的 這兩個數字的差距巨大 足足有5個標準差 標準差是關於測量誤差的統計範圍 用來評估測量值的可信度 5個標準差說明什麼呢 說明要不然有一個是錯誤的 要不然兩個值都不對 這是一個天文學中的巨大難題 如果預言成功 天文學家就會得到一個 全新的哈勃常數 與前兩個數值做對比 可能會取得天文學上的重大突破 這是一次千載難逢的好機會 怎麼辦 凱利和羅德尼又請來了兩位 天文學家做幫手 他們是要捕捉超新星的爆發 時間來到2015年5月 凱利和羅德尼向美國宇航局 NASA提交了申請報告 他們想申請使用哈勃太空望遠鏡 拍攝超新星的爆發 爲什麼要使用哈勃 因爲地基光學望遠鏡 遠沒有太空中的哈勃強大 假如超新星的影像非常弱 只有哈勃纔有可能拍攝得到 但是申請哈勃望遠鏡非常的不容易 因爲哈勃有繁重的科學觀測任務 爲了說服NASA 四位天文學家使用了七種不同的星團模型 來計算超新星出現的時間 七種模型都預測了恆星爆炸的時間點 在2015年的10月開始 到2016年10月這一年之間 很快申請批下來了 NASA居然同意了他們使用哈勃望遠鏡 一共批准了12次 平均每個月拍攝一張 對於四位天文學家來說 這真是一個激動人心的好消息 萬事俱備 只欠東風 現在要做的只有耐心的等待 2015年10月30日 哈勃望遠鏡剛剛結束了上一個任務 它調轉視野 將鏡頭對準了天球北半球的獅子座區域 用螺旋儀穩定住機身 開啓長曝光模式 完成了第一張照片的拍攝 凱利和羅德尼迫不及待的觀看照片 但是什麼也沒有 他們只好繼續等待 時間來到2015年11月14日 在上一次拍攝的16天后 哈勃又有了一個空檔時間 於是再次聚焦 拍攝了第二張照片 凱利和羅德尼忍住心跳 馬上觀看 非常可惜 照片上仍然一無所獲 2015年的12月11日 終於又等到了一次拍攝的時間 在上一次拍攝的28天后 哈勃拍攝了第三張照片 當凱利和羅德尼看到照片時 他們簡直不敢相信自己的眼睛 奇蹟出現了 雷夫斯達爾超新星真的爆發了 凱利和羅德尼做到了 他們經過複雜計算 小心求證 預言了超新星的爆發 並最終串聯起了一個 完整的超新星爆發的故事 在93億年前 在一個遙遠的星系裏 一顆年老的巨大恆星爆炸了 它發出的光 甚至超越了整個星系的亮度 光在宇宙中不斷前進 在行走了43億年之後 超新星的光 遇到了一個巨大的引力場 那是由一個星系團組成的引力透鏡 這個引力透鏡距離地球50億光年 50億年前 那個時候地球還沒有出現呢 被折射的光繼續前進 經過了漫長的50億年 它們終於來到了地球 由於引力透鏡複雜的折射作用 超新星的第一個爆發圖像 於1995年傳到地球 20年後 第二批圖像傳到 於2014年11月11日 被地球所接收 又過了一年 第三個圖像傳到 於2015年12月11日 被地球捕獲 這是一個多麼宏大且傳奇的故事 這次觀測工作 也推進了哈勃常數的修訂 天文學家將哈勃常數調整爲 每百萬秒差距64公里 與距離梯度法相比 整整減少了10公里 雖然與宇宙微波背景輻射下 計算出的數值 每百萬秒差距67公里 仍然有巨大的差異 但的確稱得上天文研究的重大突破 以上就是天文學家追捕超新星的故事 在節目的最後 我想再聊幾句題外話 經常會看到一些朋友給我留言 說宇宙範圍內的距離測量都是假的 天文學家對於宇宙的解釋是不可信的 問我怎麼看 上面的故事很有力的說明 天文學家並不是胡說八道 現代宇宙觀測是行之有效的科學方法 雷夫斯大爾超新星的光芒 經過扭曲的引力場到達地球 這個事件背後 揭示了整個宇宙運轉的機制 只有在科學家的帶領下 我們才能不斷的接近宇宙的真相 好了 今天的節目就分享到這裏 別忘了關注老明的頻道 我們下期節目 再聊