當白矮星在愛因斯坦的天平上

周一 · 最新發現|周二·牧夫專欄

周三·太空探索/周三·天文測試

周四·觀測指南|周五·深空探測

周六·星空的詩|周日·天文周曆

當白矮星在愛因斯坦的天平上

第一次世界大戰後不久，英國物理學家愛丁頓（Arthur Stanley Eddington）前往了非洲西海岸的王子島並祈禱有一個好天氣：他必須得準時的到達正確的地點。這是因為他想在1919年5月29日觀察日食。但是他的注意力並沒有放在太陽上，而是太陽邊上相當不起眼的星星——日食時黑暗的天空使得它們能被觀察到。

在此不久前，愛因斯坦向全世界提出了他的廣義相對論，其中包括時空的彎曲。這之中的一點是：在地球上觀察到太陽附近的恆星，其光線會因為太陽的質量微弱的彎曲。因此在日食期間，恆星的位置相較於通常會發生偏移。

愛丁頓旅程的結局是一個Happy Ending：雖然是多雲，但他得到了決定性的影像。影像顯示出，星星的位置實際上的確發生了偏移。而愛丁頓前往王子島的旅程也已被載入了科學史，因為這是第一次成功的對廣義相對論進行了驗證。

幾乎是100年後，美國馬里蘭州巴爾的摩空間望遠鏡科學中心（Space Telescope Science Institute）的由Kailash Sahu領導的科學家們已經不必為了天文觀測跨越大半個地球了。他們也不必在意天氣如何，因為哈勃空間望遠鏡會將拍攝到的影像傳給地球上的他們。如同愛丁頓一樣，天文學們測量了一顆恆星的光線是如何被偏轉的（見圖）。

白矮星斯坦因2051 B相對於一顆背景恆星運動。恆星的光線被白矮星的重力彎曲。

Sahu 和他的同事們不僅能計算出白矮星斯坦因2051 B的質量，還解開了一些關於它的謎團。並且，這還是第一次通過引力透鏡效應測定這樣一顆恆星的質量。Sahu和他的同事們將研究成果發表在了《科學》雜誌上。而在80年前，愛因斯坦就是在這本刊物上提出了他的質疑：利用引力透鏡測量恆星質量是否可行。

在廣義相對論所描述的彎曲的時空中，遙遠天體所發出的光線不會筆直的到達地球。相反，大質量的天體彎曲時空，光線就沿著彎曲的路徑前行。事實上，在牛頓物理學中也表明巨大的質量會偏移光線，但是在廣義相對論中這個效應是純牛頓物理學的兩倍。

如果背景天體和前景天體在視覺上恰好在一條直線上，那麼會變得很壯觀：前景天體會像透鏡一樣將光線聚焦，兩個天體組合發出更亮的光。在前景天體周圍扭曲成環狀的背景天體，就是所謂的愛因斯坦環。

通常情況下我們看來兩個物體不在同一直線上，這時愛因斯坦環是不對稱的。此外，背景天體的位置會發生變化——就像1919年愛丁頓在日食時看到的那樣。

為了用在太陽系外的恆星驗證這一效應，Sahu和他的同事們首先要尋找合適候選。他們需要一顆在太空中高速飛馳的星星，這樣它就會通過很多背景星，就會有許多觀測機會。

所求的天體

他們發現白矮星斯坦因2051 B（Stein 2051 B）就是他們在尋找的目標。這個距離我們大約18光年的天體，位於鹿豹座，以相對於太陽69km/h的速度運動。2014年3月，時機已到：白矮星與選定的背景天體，也就是所說的源天體，只相距103毫角秒。這顆背景恆星距離我們大約5000光年，是一顆不起眼的矮星（見圖）。此前，天文學家們已經測定了背景恆星的位置。從恆星的模型和亮度看來，它與白矮星之間的距離大約是2600-7000光年。

在兩年的時間裡，哈勃空間望遠鏡反覆觀測了白矮星斯坦因2051 B並且在固定的背景參考星的幫助下測定了它相對運動。背景天體的矮星作為源。Kailash Sahu和他的同事們能夠通過源天體位置的變化計算出白矮星的質量。

科學家們在兩年時間裡用哈勃空間望遠鏡對斯坦因2051 B 進行了七次觀測。首先清楚的是，光度這不會因為引力透鏡效應顯著增強，因為斯坦因2051 B光度是源恆星的400倍。也就是說光度總體只會增強百分之一。但是，基於哈勃空間望遠鏡極高的分辨，使得引力透鏡效應能夠被測出。光線的偏轉角度和源恆星的位置與白矮星之間的角距成反比，而與白矮星的質量成正比。將多次的觀測得到的光線的偏轉帶入到模型的方程中，使得研究人員計算白矮星的質量成為可能。最後，得出的白矮星的質量大約是0.675±0.051太陽質量。

研究者們測定了白矮星相對於一個固定的參考星（見標記）的運動。圖中最明亮的天體是矮星斯坦因2051 A，它與斯坦因2015 B組成了一個雙星系統。它們互相公轉的周期大約是260年。

引力透鏡的天平

這是Sahu和他的同事們第一次通過光線的偏轉來測定恆星的質量。雖然引力透鏡被應用在許多研究上：比如探索大麥哲倫和仙女星系，或是更加遙遠的星系。但是同時藉助引力透鏡我們也得到過一些照片，這些照片展示了更遙遠的星系以及類星體的微引力透鏡效應，並且由此發現了一些相對小質量的系外行星。

但是，所謂的觀測結果都是基於光度的變化，而不是實際測量源天體位置的變化。對於太陽系之外的天體，這是前所未有的。

現在，研究人員提出這種全新的非常規的方法，來測定恆星的質量。目前位置，這一方法主要被應用於雙星系統的搜尋，藉助運行軌道人們就可以確定其質量。

Sahu和他的同事們也順帶解決了白矮星斯坦因2051 B的一些謎題。雖然它的質量是已知的，因為它與斯坦因2051 A組成了一個雙星系統。然而通過軌道周期測定出的斯坦因2051 B的質量小於0.5倍太陽質量。這個問題困擾了研究者們許多年了，因為由此推導出白矮星的內部是由鐵構成的。但這是不可能的，因為白矮星是由質量相對較低的恆星演變來的，即使在最熾熱的時候內部也只是氦氣，白矮星實際上是由碳和氧組成的。

隨著重新確定的質量，白矮星斯坦因2051 B又變回了一個普通正常的白矮星。愛因斯坦的廣義相對論再一次將宇宙連貫了起來。

原文載於《Sterne und Weltraum 》2018年第1期

國內獨一無二的天文圖解與未來一年天文現象詳細預報畫冊書來了！歡迎搶購!請掃碼或者點擊原文鏈接購買。

作者：FRANZISKA KONITZER

德文翻譯：系外行星地瓜君

校譯：王 坤

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

本賬號系網易新聞?網易號「各有態度」簽約賬號

專欄打賞

謝謝閱讀

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！