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宇宙视错觉“引力透镜”:爱因斯坦预言测量恒星质量

2017-07-11 09:50:39  来源:浙江经济网  有评论

据国外媒体报道,白矮星Stein 2051 B距离地球大约18光年,过去一百多年来,对它的质量测量已经成为天文学上争论的话题之一。现在,一群天文学家利用爱因斯坦最初预言过的一种宇宙现象,对这颗白矮星进行了一次精确测量,解决了这一百年争论。

研究人员选择了Stein 2051 B遮蔽另一颗恒星——距离地球更加遥远——的时机,利用哈勃太空望远镜对其进行了观测,以此计算出了这颗白矮星的质量。在遮蔽过程中,背景恒星在天空中的位置似乎出现了非常细微的偏移,但它的实际位置其实完全没有改变。

这种宇宙视错觉被称为“引力透镜”。天文学家已经在宇宙中多次观测到了引力透镜效应,尤其是在星系、星系团和黑洞等特别巨大的天体附近。引力透镜效应的出现是由于巨大天体会导致附近的空间出现扭曲,来自更遥远天体的光线在经过时就像通过透镜一样发生弯曲。在一些情况下,引力透镜会使背景恒星看起来像发生了位移。事实上,这就像把铅笔放到装水的水杯里,水面上和水面下的部分会因为光的折射而出现错位。

爱因斯坦曾经预言,这种位移可以用来测量单个恒星的质量,因为背景恒星的位置偏移程度取决于前景恒星的质量。但是,当时的望远镜达不到足够的灵敏度,无法实现爱因斯坦的这一预言。

参与此次研究的科学家表示,此前还没有人利用背景恒星的位移计算过单个恒星的质量。事实上,科学家对恒星之间的位移进行测量的例子只有一次:1919年的日全食期间,科学家观察到太阳使几颗背景恒星出现了位移。当时之所以能观察到这一现象,只是因为太阳太接近地球。

此次新研究的结果在线发表在近期的《科学》(Science)杂志上。

宇宙透镜

根据爱因斯坦的广义相对论,空间是有弹性的,而不是固定不变,并且大型物体(比如恒星)可以造成空间的扭曲,就像保龄球在柔软垫子上造成的曲面。物体使时空扭曲的程度取决于物体的质量(同样的,更重的保龄球在垫子上压出来的痕迹就越深)。

光线通常在真空中以直线传播,但如果光线经过一个巨大的物体,那它的轨迹看起来就会像道路的拐弯一样,偏离原先的直线。爱因斯坦指出,这种偏斜会将更多的光线传递给观察者,类似于用放大镜将散射的阳光聚焦到一个点上。这种效应会使背景天体看起来更加明亮,或者在前景天体上形成一个亮环——爱因斯坦环(Einstein ring)。

天文学家已经多次观察到爱因斯坦环,以及由非常巨大的前景“透镜”——如整个星系——形成的“亮度增强事件”。这些现象也可以在银河系的平面上观察到,很可能是由那里的单个恒星引起的引力透镜效应。天文学家还利用这种效应来探测其他恒星附近的行星。

在此次新研究中,天文学家首次报道了对所谓“非对称透镜”(asymmetric lensing)的观测结果,涉及的是两颗太阳系以外的恒星,其中一颗背景恒星的位置出现了改变。

论文第一作者、空间望远镜研究所(Space Telescope Science Institute,缩写为STScI,位于巴尔的摩的约翰霍普金斯大学)的天文学家Kailash C。 Sahu称,位移的程度与前景天体的质量直接相关,如果是相对较“轻”的天体,比如恒星,这种位移的程度极为细微,很难被探测到。在白矮星Stein 2051 B的例子中,受其影响的恒星在天空中的位移大约为2毫角秒,相当于观察2400公里外一个25美分硬币的宽度。

探测如此微小的变化需要强大的观测设备,比如哈勃太空望远镜上安装于2009年的高解析度相机。该设备还能够捕捉位移恒星发出的光线。Sahu称,这些光线比起Stein 2051 B来简直微不足道,就像电灯泡旁边的萤火虫。

研究人员在2013年10月至2015年10月间进行了8次测量。他们观察了这颗白矮星在天空中的移动,遮蔽背景恒星并造成位移。在Stein 2051 B经过之后,天文学家还观测到了背景恒星的实际位置。

许多变量都可能影响科学家能否观测到更多类似的事件,包括两个天体的排列方式、前景天体的质量及其与地球的距离、前景天体与背景天体之间的间隔,以及太空望远镜的灵敏度等。不过,Sahu表示,他认为自己的团队已经证明了研究方法的有效性,科学家每一年都可以用这种方法测量2到4颗邻近恒星的质量。

恒星化石

当恒星发展到白矮星阶段时,其内核已经不再燃烧氢(不再产生能量),外层的气体会逐渐散去,留下密度极高的核心部分。白矮星形成时,物质的塌缩会导致表面温度上升,甚至可能高于“活着的”恒星。

“天空中至少97%的恒星,包括太阳在内,都将变成或者已经变成白矮星,”佛罗里达州安柏瑞德航空大学的工程和物理学教授特里·奥斯瓦尔特(Terry Oswalt)在《科学》杂志同期的“视角”(Perspectives)栏目文章中写道,“因为它们是所有前代恒星的化石。白矮星是发掘星系——如我们所在的银河系——历史和演化的关键。”

奥斯瓦尔特并没有参与此次研究。他指出,Stein 2051 B的质量问题已经“争论了超过一百年”。在目前科学家的设想中,白矮星的质量和半径可以揭示出它们如何形成、由什么物质组成,以及来源于哪种类型恒星等关键信息。

此前对Stein 2051 B的质量测量显示,它主要由铁构成。然而,根据研究论文的描述,这一发现存在几个与已知白矮星形成和演变理论相悖的问题。比如,要形成如此大量的铁,演变成Stein 2051 B的恒星需要极其巨大,但对Stein 2051 B半径的研究显示,它来源于一颗比太阳大不了多少的恒星。

如果这些对Stein 2051 B质量的测量是对的,那天体物理学家就得回到黑板前,搞清楚这样一颗白矮星是如何形成的。Sahu称,天文学家意识到他们对Stein 2051 B的质量测量很可能是不对的,但他们没有办法确定这一点。

通常情况下,测量恒星质量的唯一方法是观察它与另一个巨大天体的互动情况。例如,在一个两颗恒星互相围绕运转的联星系统中,质量较大的恒星将对另一颗恒星施加更大的影响;通过观察这两颗恒星随时间推移的相互关系,科学家可以越来越精确地计算出它们的质量。Stein 2051 B确实有一个“同伴”,但二者的距离非常遥远,它们对彼此的影响也十分微弱。

新研究的结果显示,Stein 2051 B实际是一颗非常普通的白矮星,符合已经广被接受的白矮星形成理论。它的质量大约是太阳的0.68倍,表明它来源于一颗质量是太阳2.3倍的恒星。此前的测量结果中,Stein 2051 B的质量大约是太阳的0.5倍。

Sahu表示,质量和半径都能得到准确测量的白矮星并不是很多。“研究证实了白矮星质量与半径之间的关系,”他说,“(天体物理学家)一直在使用这一理论,很高兴知道它还很站得住脚。”

来源:新华科技

责任编辑:浙江经济网 陈嘉靖


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