用重力透鏡看超新星

這次的實況轉播會重播！

今年是愛因斯坦廣義相對論發表的100週年。這個理論是說，物體的質量會使周圍的空間扭曲，產生的效應就是重力。由於廣義相對論能夠更精確的解釋更多與重力相關的現象，因此取代了牛頓的萬有引力定律，成為目前最佳的重力理論。

如果物體能夠讓周圍的空間扭曲，那麼光通過這個扭曲空間，方向也會改變，如同光進入玻璃會折射那般。愛因斯坦很快就想到，如果有很大質量的物體（如星系、星系團），周圍扭曲的空間對光的效應就會像透鏡一般，稱為「重力透鏡」。近年來已經觀察到一些重力透鏡的效應，科學家不但藉此研究遠方發出光線的天體，也能夠研究被當成透鏡的天體，一舉兩得。

就在今年3月，科學家經由哈伯望遠鏡拍攝到最新的重力透鏡影像，那是一顆在93億光年遠的超新星（恆星的爆炸），以50億光年遠的星系團以及該星系團中一個橢圓星系為透鏡，所呈現的影像居然有四個！這是因為光線分散、扭曲，才呈現出四個影像，就好像是通過凹凸不平的透鏡般，而這四個影像被稱為「愛因斯坦十字架」。由於經過兩次透鏡，因此我們在地球上觀察到那顆超新星的光比一般強了20倍。

新發現的天體往往都會有個難念的編號，天文學家暱稱這顆超新星為雷夫斯達爾，以紀念挪威的天文學家雷夫斯達爾（Sjur Refsdal），他在1964年對重力透鏡做了一個預測：由於天體不對稱，扭曲的空間也不對稱，通過重力透鏡傳到地球的光，走的路線長度並不相同。如同從高雄坐火車到臺北，走東部和西部幹線花費時間不同。雷夫斯達爾超新星發出的光經由重力透鏡，有一部分其實應該在20年前就已經抵達地球，只是當時沒人發現。科學家還預測，雷夫斯達爾超新星有些光走的路線更長，還要幾年後才會抵達地球。換句話說，到時候我們可以再次觀測這顆超新星爆炸的過程！

此外，科學家推測宇宙中大部分的質量都是由暗物質組成，但它不會發光，只能用重力效應來推測其存在。觀察這個「超新星－星系團」的重力透鏡系統，可以計算出星系團中暗物質的大小與分布狀況。而且，這次還可以重複驗證！

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2015年4.5月 ]