宇宙的透鏡——星系團

作為前沿場觀測計劃的組成部分，天文學家把哈勃空間望遠鏡對準6個星系團，為首的就是玉夫座的艾貝爾2744。這些星系團里聚集著明亮的星系和看不見的暗物質。它們的引力場放大了遙遠宇宙中的天體，為科學家們研究早期宇宙提供了最佳視角。（圖片來源：NASA/ESA/THEHST FRONTIER FIELDS TEAM (STScI)）

一切始於一個簡單的想法。2012年，空間望遠鏡研究所（管理哈勃空間望遠鏡的研究機構，簡稱STSc）的所長Matt Mountain請十幾位天文學家為「哈勃」設計一個揭示早期宇宙和星系形成新知的觀測項目。

在此之前，科學家們已經多次把「哈勃」對準看上去空無一物的天區（即天空中沒有銀河系星光的區域），並進行了數天的觀測。在這些所謂的深場里，「哈勃」看到了幾千個星系，達到了人類的觀測極限。如果每一個空白天區里都有數千個星系，我們的家園——銀河系肯定只是一千億個、甚至更多個星系中的一個。這並非誇大之詞。

宇宙中的物質成團

星系團的放大作用源於自身的引力場。幾百至幾千個星系在引力的束縛下聚集形成星系團。在X射線波段進行觀測，你會看到星系成員之間充斥著幾百萬度的熾熱、稀薄氣體。如果只研究星系團的引力場，你會探測到有大量的、看不見的物質聚集在星系成員周圍，彎曲了時空。這種「暗物質」就像膠水，把所有的星系成員和氣體粘在一起；它們的總質量大約佔了星系團質量的80%至90%。而星系團的質量巨大無比——是太陽質量的幾百萬億至幾千萬億（1後面跟著14或者15個零）。

如此驚人的巨大質量扭曲時空，使星系團好似一面透鏡，改變了從它身邊穿過的光的路徑。你有沒有透過古老的玻璃窗往外看過？由於玻璃物質分佈不均，光在穿過玻璃窗時走過的路徑不是直線。透過窗子看東西，東西就變形了。與此同理，如果有一個星系位於星系團的背後，它發出的光在穿過星系團周圍的彎曲時空時也會發生偏折。實際上，背景天體發出的光會沿著多條路徑從星系團身旁穿過。所以，我們通常會看到背景星系有好幾個扭曲的像。

當背景星系發出的光從質量巨大的星系團中穿過，星系團就好像巨大的透鏡彎曲了光傳播的路徑，並放大了光，使背景天體常常形成多個扭曲的像。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

而且星系團不僅扭曲了光的路徑，還增加它的亮度。HFF計劃真正研究的正是這一點——增加背景天體（如星系和爆發的恆星）的亮度。這些天體存在於遙遠的過去，如此一來，天文學家就可以用HFF星系團研究早期宇宙的暗弱天體了。

隔壁天區

天文愛好者使用的望遠鏡只能把天體發出的光傳到一個儀器（人的肉眼、相機或其它類型的探測器）上，「哈勃」則沒有這個限制。它攜帶了5台科學儀器，去分析從主鏡面傳到焦平面的光。「在焦平面，每個相機的視場位置稍稍有所偏移，」HFF的首席科學家、STScI的科學家Jennifer Lotz說。「當你把『哈勃』的紅外相機WFC3（廣域相機3）指向星系團的中心，其它相機就會指向稍稍偏離中心的幾處天區。

HFF的科學家們充分利用了這一點。他們用兩台相機（WFC3在紅外波段、高級勘測相機在可見光波段）同時觀測星系團及其身邊的『空白場』。與之前拍攝的深場照片一樣，天文學家使用這些「空白場」去仔細檢查看上去空無一物的天區。「我們盡量以非常高效的方式使用『哈勃』，每次同時打開兩台相機進行觀測，」Lotz說。

在「哈勃」繞地球轉70圈的同時，他們控制望遠鏡的位置，讓WFC3對準星系團，同時用ACS觀測空白場。由於「哈勃」走到一半就會跑到地球的身後去，所以總共進行了280次曝光，每次曝光持續15至20分。

「哈勃」在紅外波段用廣域相機3(Wide Field Camera 3)觀測前沿場，並同時在可見光波段用高級勘測相機（Advanced Camera for Surveys）觀測前沿場附近的平行場。（上圖展示了艾貝爾S1036星系團的前沿場及其平行場）6個月後，「哈勃」重新回到同一天區，交換相機對兩個場進行觀測。通過這種方式，天文學家就可以得到由紅外輻射和可見光合成的圖像。（圖片來源：G.BRAMMER, D. MARCHESINI, ET AL. (2016) ）

（A）天鶴座星系團艾貝爾S1063的引力透鏡不僅放大了遙遠天體發出的光，還扭曲了它們的面貌。這種扭曲效果好像哈哈鏡，把許多背景星系的像扭成弧型和條狀。（圖片來源：NASA/ESA/J. LOTZ (STScI)）

（B）艾貝爾S1063的平行場里只有幾顆前景（銀河系內）恆星（帶四個尖的明亮光源），此外，就是形狀各異、大小不等、距離不同的星系。有了這樣的圖像，天文學家就可以把6幅「空區」圖像與「哈勃」以前拍攝的深場照片進行比較研究。（圖片來源：NASA/ESA/J. Lotz(STScI)）

「因為我們需要星系團和空白場在可見光和紅外波段的觀測結果，這意味著我們需要等『哈勃』從地球的身後轉出來以後，再次進行觀測，這樣相機就能『掉過頭來』，」 觀測團隊的負責人、STScI的Anton Koekemoer說。他用「哈勃」為HFF項目拍攝了供科學研究用的所有圖像。「通常只能等幾個月以後才能再次觀測。」

在幾個月後重新觀測同一個視場還有另一個好處：天文學家能夠發現這兩次觀測的差異。這些變化可能是恆星耀斑或者恆星爆炸（超新星）引起的，能帶來更多發現。

為透鏡建模

天文學家把這6個星系團比作物質分佈不均的眼鏡。為了理解他們所看到的、位於星系團身後的東西，他們需要知道透鏡的性質。有好幾個研究組負責測繪星系團內部的物質分佈。這項工作只能藉助「哈勃」的銳眼和描述暗物質行為的理論模型才能完成。

為透鏡建模的第一步是確認每一個背景天體的所有扭曲像——通常呈弧形或斑塊狀。在識別這些圖像時，人腦可比電腦程序幹得好多了，所以研究者們必須仔細檢查每一張HFF圖像。

然後，他們運行電腦程序來匹配這些扭曲像的位置。有7個不同的研究小組已經編好程序來實現這個目標了。程序基本上知道有看不見的暗物質團塊圍繞在星系團的星系成員周圍。研究者們還必須輸入背景天體的距離信息。程序稍微改變暗物質的質量和分佈情況來重建觀測結果。「只要透鏡模型預測的（扭曲像的）位置與真實位置（即像在『哈勃』圖像中的位置）相符，質量分佈就應該是正確的，」其中一個透鏡測繪組的成員、英國杜倫大學（Durham University）的 Mathilde Jauzac說。

Jauzac及其他參與HFF項目的科學家使用這些透鏡模型、「哈勃」拍攝的圖像和其它望遠鏡的觀測數據來研究星系團內部的動力學性質。其他學者則用這些模型解釋星系團內暗物質的分佈情況及其行為特徵。

不過，這些透鏡模型對那些研究星系團背後的天體的學者們來說也很重要。「了解透鏡的放大作用能讓研究背景宇宙的科學家把觀測到的遙遠星系的性質與其本身的性質（如光度、恆星形成率、恆星質量等等）聯繫起來，」另一個透鏡建模組的組長、密歇根大學的Keren Sharon說。

實際上，打HFF項目一開始，對它的要求之一就是由6個選定的建模小組使用現有的「哈勃」的觀測數據為透鏡建立模型，並向天文學界提供他們的建模演算法。隨著項目的進行，建模小組發生了一點點變化（現在已經增加到7個），每個小組一使用了新的HFF圖像建模，就要把最新版的模型公之於眾。去年年底，在拍攝完艾貝爾370星系團的最後幾張照片后，「哈勃」圓滿完成了項目的拍攝工作。不過，所有數據的分析工作和透鏡建模還需要多花一些時間。研究者們已經完成了艾貝爾2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745的透鏡建模工作，此時正在調試MACS Jl149.5+2223、艾貝爾 S1063和艾貝爾370的模型。

調試過程包含了大量的嘗試和錯誤，因此，天文學家又是如何知道他們的模型準確地反映了星系團的物質分佈呢？2014年年底的一個驚人發現給他們提供了一個完美的檢測工具。

右上：御夫座星系團MACS J0717.5+3745不僅是「哈勃」前沿場里最大的引力透鏡，在已知的宇宙中也是最大的。這個巨大的星系和暗物質聚合體看起來由至少四個正在併合的子星系團構成。（圖片來源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM(STScI)）

左下：MACS J0717.5+3745的多波段合成圖像——把它發出的可見光（紅、綠和藍色）、X射線輻射（瀰漫的藍光）和射電輻射（瀰漫的粉光）疊加在一起。多次碰撞形成的激波產生了大片的射電輻射區，而團塊狀的X射線輻射則表明四個子星系團正在併合。（圖片來源：X-RAY:NASA/CXC/SAO/R.VAN WEEREN ET AL.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）

用超新星爆發檢驗透鏡模型

還有好幾個其它的觀測項目依託於HFF。其中之一是空基透鏡放大光譜巡天（Grism Lens-Amplified Survey from Space，簡稱GLASS）。該項目使用「哈勃」去收集6個前沿場星系團和另外4個大質量星系團身後的背景星系的光譜。GLASS項目組的一些成員也對搜尋星系團身後的超新星爆發（死亡恆星產生的耀眼的爆發）感興趣。

為了找到這些爆發事件，GLASS項目的天文學家每隔幾周就給同一個星系團拍照。然後，他們從舊圖像中扣去新圖像，去掉這期間沒有變化的天體，例如星系團的成員星系或者背景星系。「我們用『哈勃』拍攝這些漂亮的圖像，然後去掉所有的漂亮天體；」南卡羅來納大學的Steven Rodney說。「如果有任何東西發生了變化，例如一顆恆星在這段時間發生爆炸形成超新星，圖像中就會出現一個明亮的點。」

GLASS分別在2014年11月3日、7日、10日為MACS Jl149.5+2223拍照。在比較這些圖像時，Rodney的同事Patrick Kelly在扣除圖像后立刻看到了三個亮點。「這個發現顯然令我們大為驚喜；」Rodney補充說道。他們知道自己發現了獨特的、難以置信的東西。在天文觀測中，超新星通常顯示為一個光點，同時出現三個光點意味著他們發現了超新星的多個透鏡像——這樣的現象前所未見。

而且觀測時機不能再好了。「哈勃」正在進行HFF觀測，將在11月20日再次觀測這個星系團。當Kelly、Rodney和同事把11月20日拍攝的頭幾張HFF圖像也加進來之後，三個亮點變成了四個。

這顆超新星位於星系團身後的一個背景旋渦星系的旋臂上。超新星爆發產生的輻射沿著四條光路經過星系團周圍的扭曲時空。他們把這顆超新星命名為Refsdal，以此紀念挪威天體物理學家Sjur Refsdal。這位科學家早在50年前就已經從理論上預言了超新星在引力透鏡的作用下可以形成多個像。

由於每條光路的路程長度稍有不同，光的傳播時間也就各不相同。超新星總是迅速變亮，然後暗下去。Kelly、Rodney與團組成員在11月3日至20日觀測了超新星的亮度變化。從這些微小的變化中，天文學家能夠改善MACS Jl149.5+2223的質量分布圖。「為了理解我們看到的、位於星系團身後的背景天體，你必須相信這些透鏡模型是正確的，」Rodney說。

這個測繪組不僅提供了值得信任的透鏡模型，還預測來年能夠觀測到超新星的第五個像。Jauzacs的團隊則進一步估算出這個像將出現在2015年11月至2016年1月期間。

等到2015年12月11日，第五個像出現了。「這是我們第一次能夠真正向整個天文學界證明透鏡模型正確，透鏡效應也很有用，我們可以信賴它們，」Jauzac說。

在很久以前，幾個小星系團發生碰撞，併合形成了MACS J1149.5+2223（位於獅子座內）。2014年11月，在觀測這個巨大的星系團時，天文學家在其中一個星系成員（下方）的周圍發現了四個光點，後來證實它們是一顆超新星（被命名為Refsdal）的四個像。（圖片來源：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)

看到暗弱的邊緣

其他研究團隊使用HFF星系團的放大本領去搜尋早期宇宙的最暗弱的星系。雖然理論已經預言了它們的存在，但還沒有人找到過，因為它們發出的光太微弱了。

早期宇宙布滿了中性氫（每個氫原子自帶一個質子和一個電子）氣體。但在這些暗弱的矮星系裡形成的第一批恆星既熾熱又明亮，發出大量紫外輻射。這些高能輻射剝離了氫原子里的電子，使早期宇宙變成了電離氣體的汪洋。所以，這些恆星就像早晨的陽光碟機走霧氣一般，把擋光的中性氫一掃而凈。（由於在宇宙大爆炸后38萬年，電離氣體也曾充斥整個宇宙，所以天文學家把第一批恆星電離氣體的這個過程稱為「宇宙的再電離」。）

雖然再電離理論聽上去合情合理，但科學家至今還未探測到足夠多的早期矮星系來解釋整個宇宙的再電離。「我們需要找到更暗弱的星系，我們猜想這類星系應該有更多，」耶魯大學的Hakim Atek說。「多虧了前沿場星系團，我們能夠把探測極限往前推。」星系團能把這些暗弱星系的光放大30倍，他補充道。

Atek在瑞士的洛桑聯邦理工學院（Ecole Poly technique Federale de Lausanne）從事研究期間，領導了發現這些星系並估計其紫外輻射的工作。天文學家在三個星系團艾貝爾2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745身後及臨近的空白場里一共找到了大約250個矮星系。

多種輻射

把「哈勃」拍攝的圖像與其它幾個望遠鏡的觀測數據結合起來，是獲得發現的另一種方法。「多波段觀測是獲得星系團的完整圖像的唯一方法，」研究星系團動力學的學者、斯坦福大學的Georgiana Ogrean說。

天文學家正在用對紅外輻射靈敏的斯必澤空間望遠鏡觀測這6個星系團，花費100個小時為它們挨個拍攝圖像。斯必澤望遠鏡看到的天體要比「哈勃」看到的天體溫度低些。

有了紅外波段和可見光波段的觀測，天文學家就能研究塵埃和恆星，不過，星系團里的氣體該如何研究呢？這就要靠太空里的錢德拉X射線天文台和XMM-Newton望遠鏡了。它們負責捕捉熾熱氣體，還有一些星系和恆星發出的輝光。

左上：天文學家在觀測波江座星系團MACSJ 0416.1-2403，還有MACS J0717.5+374S 和艾貝爾2744時，找到了數百個在宇宙僅6億至9億年老時形成的星系。（圖片來源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM (STScI)）

右下：「哈勃」在可見光波段為星系團MACSJ0416.1-2403拍攝的圖像（紅、綠和藍色），還有幾乎重疊的X射線輻射（瀰漫的藍色輝光）和射電輻射（瀰漫的粉色輝光）。天文學家解釋說，X射線輻射和射電輻射的大部分重疊分佈（呈現為紫色）意味著這些子星系團剛剛開始併合過程。（圖片來源：X-RAY:NASA/CXC/G.OGREAN ET Al.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）

另一個以HFF計劃為基礎的項目使用「哈勃」捕捉紫外輻射，去尋找熾熱的年輕恆星。天文學家還使用地面的射電望遠鏡觀測正在形成恆星的星系、活躍星系的中心區域以及觀測天區內的瀰漫射電源。

Ogrean與同事把各波段的觀測結果結合起來，對3個HFF星系團展開細緻的研究。他們發現MACS Jl149.5+2223是幾個小星系團在很久以前併合而成；MACS J0416.1-2403則正處於併合初期；而MACS J0717.5+3745「是目前已知最複雜的、正在併合的系統，至少有4個子星系團正在併合中。」她說。

還有其他幾個團隊也把各種輻射結合起來研究，去了解星系團的性質。天文學家還藉助其它創造性的方法，使用HFF圖像去探索宇宙。實際上，截至目前有90多篇已經發表在科學期刊上的學術論文使用了這個項目的觀測數據，而且這些還只是HFF圖像的初步分析結果。

「是的，HFF圖像非常棒，」Sharon說。「不過，當你在觀測數據中認出透鏡證據，並把它帶入正確的公式，親眼看到物理定律發揮作用，這才是真正的迷人之處。我們現在能用技術測量這些現象，生活在這樣的時代，我感到非常幸運。」

在未來幾年，天文學家將繼續深入理解每個星系團里正在發生的事，還會梳理出這些星系團身後的背景天體的更多線索。