科学家首次成功利用微重力透镜效应称了星星的体重!

星星有多重?长久以来,人类能够直接量度其质量恒星,只有我们的太阳。利用克卜勒行星运动第三定律,代入太阳系各行星的平均公转轨道半径和周期,即使是物学新手亦能轻松算出太阳质量。

科学家首次成功利用微重力透镜效应称了星星的体重!

并非每个恒星都有行星绕其运转。有一部分恒星是双星系统,即两个恒星互相环绕系统的质心转动。除非能够准确测量双星系统轨道平面相对地球方向的角度,否则我们只能计算出系统的总质量,不能得知每个恒星各有多重。图/By User:Zhatt, Public Domain, wikimedia commons

那么其他恒星呢?如果它们有行星系统的话,就可以靠哈勃、克卜勒太空望远镜等观察其公转轨道,用克卜勒定律算出恒星质量。然而,并非每个恒星都有行星绕其运转。有一部分恒星是双星系统,即两个恒星互相环绕系统的质心转动。除非能够准确测量双星系统轨道平面相对地球方向的角度,否则我们只能计算出系统的总质量,不能得知每个恒星各有多重。

科学家首次成功利用微重力透镜效应称了星星的体重!

白矮星扭曲了背景恒星的光芒

爱因斯坦的广义相对论说,就算是没有质量的光线也会被重力吸引。1919年,爱丁顿远征非洲观察日全食,测量了日食时太阳旁来自遥远恒星的光线,发现恒星的位置偏移了。这是人类史上首次以实验验证广义相对论,透过星光偏折的角度,就计算出时空如何被质量扭曲。

扭曲光线这个效应,已经被天文学家利用来观察遥远的星系。当光线经过非常重的星系附近,会在其旁边形成一个环状的扭曲影像。这个扭曲效果就好像透镜众焦一样,光线来源的影像会被加强和放大。我们叫这个效应做重力透镜。这个光环叫做「爱因斯坦环」,其大小由造成重力透镜的质量决定,质量越大效果越明显。天文学家已经利用重力透镜效应测量了很多星系的质量。

然而,天文学家从未使用重力透镜量度恒星的质量。这是因为恒星质量太小,我们称这个效应做微重力透镜效应,而且必须非常接近背景星光才能使透镜效果大到在望远镜的探测范围里。可是,恒星与背景恒星太接近的话,恒星的光芒又会遮蔽背景星光。

Sahu 和他的研究团队在2013 至2015 年利用哈勃太空望远镜观察了白矮星Stein 2051B 的微重力透镜效应。Stein 2051B 是第六位接近地球的白矮星,其移动相对于地球就比背景星空明显。当它移动到非常接近一个背景恒星时,研究员测量了背景恒星的光线偏折现象,得出Stein 2051B 的质量为0.675+/-0.051 太阳质量。

这是史上首次成功量度恒星质量造成的微重力透镜效应,而且得出的质量数值与使用恒星演化模型计算出的0.67+/-0.03 太阳质量吻合,因此亦同时验证了天体物理学家的恒星演化模型正确。

百年之前,星光偏折证实广义相对论震惊世界,谁会想到在百年后的今天,这个效应仍能创出科研突破?

论文链接:
Sahu et al. 2017, “Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf”, Science, 10.1126
(据 泛科学

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