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当白矮星在爱因斯坦的天平上

  • 原文作者:FRANZISKA KONITZER

  • 文章来源:<Sterne und Weltraum 2018-01>


当白矮星在爱因斯坦的天平上

 

天文学家们首次成功的通过引力透镜效应测定了一颗恒星的质量。

 

第一次世界大战后不久,英国物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)前往了非洲西海岸的王子岛并祈祷有一个好天气:他必须得准时的到达正确的地点。这是因为他想在1919年5月29日观察日食。但是他的注意力并没有放在太阳上,而是太阳边上相当不起眼的星星——日食时黑暗的天空使得它们能被观察到。

 

在此不久前,爱因斯坦向全世界提出了他的广义相对论,其中包括时空的弯曲。这之中的一点是:在地球上观察到太阳附近的恒星,其光线会因为太阳的质量微弱的弯曲。因此在日食期间,恒星的位置相较于通常会发生偏移。

 

爱丁顿旅程的结局是一个Happy Ending:虽然是多云,但他得到了决定性的影像。影像显示出,星星的位置实际上的确发生了偏移。而爱丁顿前往王子岛的旅程也已被载入了科学史,因为这是第一次成功的对广义相对论进行了验证。

 

几乎是100年后,美国马里兰州巴尔的摩空间望远镜科学中心(Space Telescope Science Institute)的由Kailash Sahu领导的科学家们已经不必为了天文观测跨越大半个地球了。他们也不必在意天气如何,因为哈勃空间望远镜会将拍摄到的影像传给地球上的他们。如同爱丁顿一样,天文学们测量了一颗恒星的光线是如何被偏转的(见图)。

 


【图一】白矮星斯坦因2051 B相对于一颗背景恒星运动。恒星的光线被白矮星的重力弯曲。

 

Sahu 和他的同事们不仅能计算出白矮星斯坦因2051 B的质量,还解开了一些关于它的谜团。并且,这还是第一次通过引力透镜效应测定这样一颗恒星的质量。Sahu和他的同事们将研究成果发表在了《科学》杂志上。而在80年前,爱因斯坦就是在这本刊物上提出了他的质疑:利用引力透镜测量恒星质量是否可行。

 

在广义相对论所描述的弯曲的时空中,遥远天体所发出的光线不会笔直的到达地球。相反,大质量的天体弯曲时空,光线就沿着弯曲的路径前行。事实上,在牛顿物理学中也表明巨大的质量会偏移光线,但是在广义相对论中这个效应是纯牛顿物理学的两倍。

 

如果背景天体和前景天体在视觉上恰好在一条直线上,那么会变得很壮观:前景天体会像透镜一样将光线聚焦,两个天体组合发出更亮的光。在前景天体周围扭曲成环状的背景天体,就是所谓的爱因斯坦环。

 


 

通常情况下我们看来两个物体不在同一直线上,这时爱因斯坦环是不对称的。此外,背景天体的位置会发生变化——就像1919年爱丁顿在日食时看到的那样。

 

为了用在太阳系外的恒星验证这一效应,Sahu和他的同事们首先要寻找合适候选。他们需要一颗在太空中高速飞驰的星星,这样它就会通过很多背景星,就会有许多观测机会。

 

  • 所求的天体

 

他们发现白矮星斯坦因2051 B(Stein 2051 B)就是他们在寻找的目标。这个距离我们大约18光年的天体,位于鹿豹座,以相对于太阳69km/h的速度运动。2014年3月,时机已到:白矮星与选定的背景天体,也就是所说的源天体,只相距103毫角秒。这颗背景恒星距离我们大约5000光年,是一颗不起眼的矮星(见图)。此前,天文学家们已经测定了背景恒星的位置。从恒星的模型和亮度看来,它与白矮星之间的距离大约是2600-7000光年。

 


【图二】在两年的时间里,哈勃空间望远镜反复观测了白矮星斯坦因2051 B并且在固定的背景参考星的帮助下测定了它相对运动。背景天体的矮星作为源。Kailash Sahu和他的同事们能够通过源天体位置的变化计算出百姓的质量。

 

 

科学家们在两年时间里用哈勃空间望远镜对斯坦因2051 B 进行了七次观测。首先清楚的是,光度这不会因为引力透镜效应显著增强,因为斯坦因2051 B光度是源恒星的400倍。也就是说光度总体只会增强百分之一。但是,基于哈勃空间望远镜极高的分辨,使得引力透镜效应能够被测出。光线的偏转角度和源恒星的位置与白矮星之间的角距成反比,而与白矮星的质量成正比。将多次的观测得到的光线的偏转带入到模型的方程中,使得研究人员计算白矮星的质量成为可能。最后,得出的白矮星的质量大约是0.675±0.051太阳质量。

 


【图三】研究者们测定了白矮星相对于一个固定的参考星(见标记)的运动。图中最明亮的天体是矮星斯坦因2051 A,它与斯坦因2015 B组成了一个双星系统。它们互相公转的周期大约是260年。

 

 

  • 引力透镜的天平

 

这是Sahu和他的同事们第一次通过光线的偏转来测定恒星的质量。虽然引力透镜被应用在许多研究上:比如探索大麦哲伦和仙女星系,或是更加遥远的星系。

但是同时借助引力透镜我们也得到过一些照片,这些照片展示了更遥远的星系以及类星体的微引力透镜效应,并且由此发现了一些相对小质量的系外行星。

但是,所谓的观测结果都是基于光度的变化,而不是实际测量源天体位置的变化。对于太阳系之外的天体,这是前所未有的。

 

现在,研究人员提出这种全新的非常规的方法,来测定恒星的质量。目前位置,这一方法主要被应用于双星系统的搜寻,借助运行轨道人们就可以确定其质量。

 

Sahu和他的同事们也顺带解决了白矮星斯坦因2051 B的一些谜题。虽然它的质量是已知的,因为它与斯坦因2051 A组成了一个双星系统。然而通过轨道周期测定出的斯坦因2051 B的质量小于0.5倍太阳质量。这个问题困扰了研究者们许多年了,因为由此推导出白矮星的内部是由铁构成的。但这是不可能的,因为白矮星是由质量相对较低的恒星演变来的,即使在最炽热的时候内部也只是氦气,白矮星实际上是由碳和氧组成的。

 

随着重新确定的质量,白矮星斯坦因2051 B又变回了一个普通正常的白矮星。爱因斯坦的广义相对论再一次将宇宙连贯了起来。


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