宇宙視錯覺「引力透鏡」愛因斯坦預言測量恆星質量

這張圖顯示了愛因斯坦環（中間偏右）。天文學家已經在宇宙中多次觀測到了引力透鏡效應，尤其是在星系、星系團和黑洞等特別巨大的天體附近。

這張圖顯示了巨大天體，如一顆白矮星的引力如何使附近的時空扭曲，進而使更遙遠天體發出的光線發生彎曲。

這張圖片顯示了Stein 2051 B在天空中的移動，遮蔽背景恆星並造成位移。天文學家觀察了它的移動，以及它對背景恆星光線的引力透鏡效應。

白矮星Stein 2051 B距離地球大約18光年，過去一百多年來，對它的質量測量已經成為天文學上爭論的話題之一。現在，一群天文學家利用愛因斯坦最初預言過的一種宇宙現象，對這顆白矮星進行了一次精確測量，解決了這一百年爭論。

研究人員選擇了Stein 2051 B遮蔽另一顆恆星——距離地球更加遙遠——的時機，利用哈勃太空望遠鏡對其進行了觀測，以此計算出了這顆白矮星的質量。在遮蔽過程中，背景恆星在天空中的位置似乎出現了非常細微的偏移，但它的實際位置其實完全沒有改變。

這種宇宙視錯覺被稱為「引力透鏡」。天文學家已經在宇宙中多次觀測到了引力透鏡效應，尤其是在星系、星系團和黑洞等特別巨大的天體附近。引力透鏡效應的出現是由於巨大天體會導致附近的空間出現扭曲，來自更遙遠天體的光線在經過時就像通過透鏡一樣發生彎曲。在一些情況下，引力透鏡會使背景恆星看起來像發生了位移。事實上，這就像把鉛筆放到裝水的水杯里，水面上和水面下的部分會因為光的折射而出現錯位。

愛因斯坦曾經預言，這種位移可以用來測量單個恆星的質量，因為背景恆星的位置偏移程度取決於前景恆星的質量。但是，當時的望遠鏡達不到足夠的靈敏度，無法實現愛因斯坦的這一預言。

參與此次研究的科學家表示，此前還沒有人利用背景恆星的位移計算過單個恆星的質量。事實上，科學家對恆星之間的位移進行測量的例子只有一次：1919年的日全食期間，科學家觀察到太陽使幾顆背景恆星出現了位移。當時之所以能觀察到這一現象，只是因為太陽太接近地球。

此次新研究的結果在線發表在近期的《科學》（Science）雜誌上。

宇宙透鏡

根據愛因斯坦的廣義相對論，空間是有彈性的，而不是固定不變，並且大型物體（比如恆星）可以造成空間的扭曲，就像保齡球在柔軟墊子上造成的曲面。物體使時空扭曲的程度取決於物體的質量（同樣的，更重的保齡球在墊子上壓出來的痕迹就越深）。

光線通常在真空中以直線傳播，但如果光線經過一個巨大的物體，那它的軌跡看起來就會像道路的拐彎一樣，偏離原先的直線。愛因斯坦指出，這種偏斜會將更多的光線傳遞給觀察者，類似於用放大鏡將散射的陽光聚焦到一個點上。這種效應會使背景天體看起來更加明亮，或者在前景天體上形成一個亮環——愛因斯坦環（Einstein ring）。

天文學家已經多次觀察到愛因斯坦環，以及由非常巨大的前景「透鏡」——如整個星系——形成的「亮度增強事件」。這些現象也可以在銀河系的平面上觀察到，很可能是由那裡的單個恆星引起的引力透鏡效應。天文學家還利用這種效應來探測其他恆星附近的行星。

在此次新研究中，天文學家首次報道了對所謂「非對稱透鏡」（asymmetric lensing）的觀測結果，涉及的是兩顆太陽系以外的恆星，其中一顆背景恆星的位置出現了改變。

論文第一作者、空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute，縮寫為STScI，位於巴爾的摩的約翰霍普金斯大學）的天文學家Kailash C。 Sahu稱，位移的程度與前景天體的質量直接相關，如果是相對較「輕」的天體，比如恆星，這種位移的程度極為細微，很難被探測到。在白矮星Stein 2051 B的例子中，受其影響的恆星在天空中的位移大約為2毫角秒，相當於觀察2400公里外一個25美分硬幣的寬度。

探測如此微小的變化需要強大的觀測設備，比如哈勃太空望遠鏡上安裝於2009年的高解析度相機。該設備還能夠捕捉位移恆星發出的光線。Sahu稱，這些光線比起Stein 2051 B來簡直微不足道，就像電燈泡旁邊的螢火蟲。

研究人員在2013年10月至2015年10月間進行了8次測量。他們觀察了這顆白矮星在天空中的移動，遮蔽背景恆星並造成位移。在Stein 2051 B經過之後，天文學家還觀測到了背景恆星的實際位置。

許多變數都可能影響科學家能否觀測到更多類似的事件，包括兩個天體的排列方式、前景天體的質量及其與地球的距離、前景天體與背景天體之間的間隔，以及太空望遠鏡的靈敏度等。不過，Sahu表示，他認為自己的團隊已經證明了研究方法的有效性，科學家每一年都可以用這種方法測量2到4顆鄰近恆星的質量。（任天）

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