百年相对论再经考验,称出白矮星精确质量
2017-07-07 10:46:58
  • 0
  • 0
  • 1

来源:果壳网

作者:艾麦乐

借助哈勃空间望远镜敏锐的视力,天文学家重复了近一个世纪以前,人们对爱因斯坦广义相对论所作的一场检验。通过观测一颗白矮星,即一颗普通恒星燃尽之后的残骸,对另一颗更遥远恒星的星光产生的偏折作用,哈勃团队测量出了这颗白矮星的质量。这也是哈勃空间望远镜首次观测到由一颗恒星产生的光线偏折效应。

1915年,爱因斯坦首次提出广义相对论,描述了大质量物体如何扭曲空间产生了我们所感受到的引力。4年后,这一理论得到了首次观测实验的验证——当时一支由英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士率领的团队在日全食期间,测量了出现在日面边缘的恒星的星光受到太阳引力作用而发生偏折的幅度,这种效应称为微引力透镜。

利用这一效应,天文学家可以看见遥远的星系被引力透镜放大的图像,也可以在更近的距离范围内测量恒星在天空中视位置的细微移动。然而,科学家不得不等上一个世纪之久,才能够建造出足够强大的望远镜,用来检测太阳系外的单颗恒星所导致的引力扭曲现象。这种现象导致的星光偏折幅度之小,只有视力敏锐的哈勃空间望远镜才能够测量出来。

白矮星的引力弯曲了另一颗恒星的星光,导致哈勃望远镜观测到这颗恒星的位置发生了偏移,再现了近一个世纪前天文学家在日全食期间对爱因斯坦的广义相对论所作的第一次观测检验。图片来源:NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

确切来说,哈勃观测了白矮星Stein 2051 B从另一颗背景恒星前方经过的过程。在这两颗恒星几乎要对齐的时候,白矮星的引力弯曲了它身后更远处那颗恒星的星光,使得后者看起来要比实际位置偏移了大约2毫角秒。这一偏移幅度非常之小,相当于在观测2400千米以外一只蚂蚁爬过一枚一元硬币的表面。

根据对恒星偏移幅度的测量,天文学家计算出了这颗白矮星的质量,大约为太阳质量的68%。这一结果与理论预言相符。

从2013年10月1日到2015年10月14日,哈勃望远镜对白矮星Stein 2051 B进行了多次观测,记录了它从一颗更遥远的背景恒星前方经过的全过程。对观测数据进行分析后,天文学家再现了近百年前对广义相对论的首次检验,并测量出了这颗白矮星的质量。图片来源:NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

这一技术开启了一种测量恒星质量的全新方法。通常来说,如果一颗恒星拥有伴星,天文学家就能测量这两颗恒星相互绕转的轨道运动,从而测定那颗恒星的质量。尽管Stein 2051 B拥有一颗伴星,是一颗明亮的红矮星,但天文学家仍然无法精确测量它的质量,因为这两颗恒星间隔太远了。两颗恒星间隔了至少80亿千米,几乎是冥王星到太阳当前距离的两倍。

“对于测量恒星质量来说,微引力透镜法是一种非常独立和直接的方法。”美国空间望远镜研究所负责此项研究的凯拉什‧萨胡(Kailash Sahu)解释说,“就好像把这颗恒星放在了一杆称上:恒星偏移的幅度就代表了称杆上的读数。”

6月7日,萨胡在得克萨斯州奥斯汀市召开的美国天文学会年会上公布了他们团队的这些发现。

白矮星从更遥远的背景恒星前方经过时,由于光线被白矮星引力掰弯,背景恒星的位置就会发生偏移。图片来源:NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

哈勃的分析还帮助天文学家独立验证了通过白矮星质量来确定它半径的理论,这个想法最早是由印度裔美国天文学家苏布拉马尼安·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)在1935年提出的。团队成员、美国宾夕法尼亚州立大学的霍华德‧邦德(Howard Bond)说,“我们的测量与白矮星理论符合得很好,甚至向我们透露了白矮星的内部构成。”

萨胡的团队对一张邻近恒星星表进行了梳理,其中记录的5000多颗恒星,看起来都在天空中快速移动。正是从这些数据中,研究团队圈定了Stein 2051 B和它的背景恒星。看上去在天空中快速移动的这些恒星,从另一颗遥远的背景恒星前面经过的可能性更大,只有这样天文学家才有机会去测量星光的偏折。

在圈定了Stein 2051 B这颗白矮星,并测绘了它周围背景恒星的位置之后,这些研究者利用哈勃望远镜上的第三代广域相机,在长达2年的时间段内,对这颗白矮星进行了7次不同的观测,记录了它从选定的背景恒星前方经过的全过程。

哈勃的这项观测难度极大,耗时也长。研究团队不得不分析白矮星的速度和运动方向,预言它会在什么时候抵达偏折星光的位置,以便天文学家能够使用哈勃望远镜来观测这一现象。

哈勃望远镜拍摄的这张照片,展示了2013年10月1日的Stein 2051双星系统。画面中心偏上较暗的蓝色恒星,就是白矮星Stein 2051 B,右下方较明亮的红色恒星是它的伴星。由于这对双星离地球很近,大约只有17光年,因此相对于更遥远的几颗背景恒星,它们在天空中会有更明显的位移。蓝色波浪线标明了白矮星在天空中的移动轨迹,可以看到它会从标明了“源恒星”的那颗背景恒星旁边前方,它的引力足以弯曲那颗恒星的星光。图片来源:NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

天文学家还必须测量星光偏移的确切幅度。“Stein 2051 B要比那颗遥远的背景恒星亮400倍,”团队成员、空间望远镜研究所的杰伊‧安德森(Jay Anderson)说,“因此,测量这么小的偏移幅度,就类似于想要看清在一个大灯泡旁边飞舞的一只萤火虫。萤火虫的移动非常细微,而大灯泡的光芒却让我们难以看清它的移动。”事实上,与1919年爱丁顿所作的那次观测相比,背景恒星的偏移幅度大约是当时的1/1000。

Stein 2051 B得名于它的发现者——荷兰天主教牧师兼天文学家约翰‧斯特恩(Johan Stein)。它距离地球17光年,年龄估计为27亿年。那颗背景恒星距离地球大约5000光年。

这些科学家还计划用哈勃望远镜,对离我们太阳系最近的半人马座比邻星,展开类似的微引力透镜研究。

详细描述这些结果的研究论文,将发表在6月9日出版的《科学》杂志上。(编辑:Steed)

编译来源 哈勃空间望远镜官网,Hubble Astronomers Develop a New Use for a Century-Old Relativity Experiment to Measure a White Dwarf’s Mass

最新文章
相关阅读