天文學家捕捉到了一幅奇異的圖像：一顆超新星（一種強大的恆星爆炸）的光線被另一個星系的引力扭曲，以至於在天空中呈現出多個圖像。這種現像被稱為”引力透鏡”（gravitational lensing），當密集天體的引力扭曲並增強其背後天體的光線時，就會發生這種現象。

天文學家捕捉到了一顆超新星”茲威基超新星”，由於引力透鏡的作用，這顆超新星出現了多幅圖像。這次觀測是迄今為止最大規模超新星調查的一部分，有助於了解包括暗能量在內的宇宙現象，也是正在進行的銀河系外爆炸編目和研究工作的一部分。(引力透鏡超新星的藝術家概念圖）。

這顆超新星被稱為”茲威基超新星”（SN Zwicky），最初是由加州理工學院領導的茲威基瞬變設施（ZTF）觀測到的，該設施位於圣迭戈附近的帕洛瑪天文台。這次觀測是目前正在進行的最大規模超新星巡天觀測的一部分。

這裡看到的是SN 茲威基的四幅重複圖像，是WM 凱克天文台以盡可能高的分辨率觀測到的。周圍環境是以較低分辨率觀測到的。圖片來源：Joel Johansson

“有了ZTF，我們就擁有了近乎實時地捕捉超新星並對其進行分類的獨特能力。”今天發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上的這項研究的第一作者、瑞典斯德哥爾摩大學奧斯卡-克萊因中心主任阿里爾-古巴爾（Ariel Goobar）說：”我們注意到茨維基超新星比它與我們的距離本應更亮，並很快意識到我們看到了一種非常罕見的現象，叫做強引力透鏡。這種透鏡物體可以幫助我們獨特地探測星系內核物質的數量和分佈。”

正如愛因斯坦在一個多世紀前所預言的那樣，來自一個宇宙天體的光線在到達我們的途中遇到一個緻密天體，就會發生引力透鏡效應。緻密天體就像一個透鏡，可以彎曲和聚焦光線。根據透鏡的密度和透鏡與我們之間的距離，這種扭曲效應的強度會有所不同。在強透鏡作用下，來自宇宙天體的光線會發生嚴重扭曲，以至於被放大並分裂成同一圖像的多個副本。

這部來自奧斯卡-克萊因中心（Oskar Klein Centre）的解說影片用水彩插圖解釋了”茲威基”SN 的發現。

自愛因斯坦提出引力彎曲理論幾年後的1919 年起，天文學家就開始觀測光的引力彎曲，但超新星的瞬時性使得SN Zwicky（又稱SN 2022qmx）這樣的事件很難被發現。事實上，雖然科學家們以前曾多次發現過被稱為類星體的遙遠天體的透鏡重複圖像，但只發現過少數幾個超新星的透鏡重複圖像。其中兩個案例是在帕洛瑪發現的： SN Zwicky和ciPTF16geu，它們是由帕洛瑪瞬變工廠（iPTF）發現的，iPTF是ZTF的前身。

古巴爾說：”SN茲威基是用光學望遠鏡發現的最小的分辨引力透鏡系統。iPTF16geu是一個更寬的系統，但放大倍數更大。”

這個動畫解釋了強引力透鏡現象。

ZTF發現SN Zwicky之後，Goobar和他的國際團隊動用了一整套天文設備對其進行跟踪研究。夏威夷毛納凱亞（Maunakea）WM 凱克天文台（WM Keck Observatory）的近紅外照相機2（NIRC2）解析了SN Zwicky，揭示了超新星的透鏡作用足夠強，以至於產生了同一天體的多幅圖像。

加州理工學院光學天文台的天文學家克里斯托弗-弗里姆林（Christoffer Fremling）說：”那天晚上我正在觀測，當我看到SN茨維基的透鏡圖像時，我絕對驚呆了。我們通過’明亮瞬變巡天’捕捉並分類了成千上萬的瞬變體，這使我們有獨特的能力發現像SN茲威基這樣非常罕見的現象。”

超新星、暗能量和宇宙之謎

SN 茲威基被歸類為Ia 型超新星。這些即將隕落的恆星在結束生命時，會發出亮度始終如一的光。這種獨特的特性在1998 年揭示宇宙加速膨脹的過程中發揮了重要作用，而宇宙加速膨脹的原因是一種尚不為人知的現象–暗能量。

ZTF 安裝在帕洛瑪天文台的48 英寸塞繆爾-奧斯欽望遠鏡上。資料來源：帕洛瑪天文台/加州理工學院

“強透鏡Ia 型超新星可以讓我們看到更遠的時間，因為它們被放大了。觀測更多的Ia型超新星將給我們提供一個前所未有的機會來探索暗能量的本質，”斯德哥爾摩大學博士後、該研究的共同作者喬爾-約翰森（Joel Johansson）說。

“建立宇宙膨脹歷史模型所需的缺失成分是什麼？構成星系絕大部分質量的暗物質是什麼？”古巴爾說：”隨著我們利用ZTF和即將建成的維拉-魯賓天文台發現更多的’茨維基SN’，我們將擁有另一種工具來揭開宇宙的神秘面紗並找到答案。”

迄今為止，ZTF 明亮瞬變巡天已經發現了7811 個確認的超新星。巡天的主要目標是對儀器能夠可靠探測到的所有河外星系爆炸進行編目和分類。由於ZTF 能夠快速掃描廣闊的天空，因此它是目前同類巡天中規模最大、最完整的巡天。全世界的天文學家都在利用”明亮瞬變巡天”來了解宇宙爆炸的種類、常見程度以及它們的亮度。