宇宙錯(cuò)覺“引力透鏡”：愛因斯坦預(yù)言恒星質(zhì)量！

天文學(xué)家已經(jīng)多次觀察到愛因斯坦環(huán)，以及由非常巨大的前景“透鏡”——如整個(gè)星系——形成的“亮度增強(qiáng)事件”。這些現(xiàn)象也可以在銀河系的平面上觀察到，很可能是由那里的單個(gè)恒星引起的引力透鏡效應(yīng)。天文學(xué)家還利用這種效應(yīng)來探測其他恒星附近的行星。

在此次新研究中，天文學(xué)家首次報(bào)道了對(duì)所謂“非對(duì)稱透鏡”（asymmetric lensing）的觀測結(jié)果，涉及的是兩顆太陽系以外的恒星，其中一顆背景恒星的位置出現(xiàn)了改變。

論文第一作者、空間望遠(yuǎn)鏡研究所（Space Telescope Science Institute，縮寫為STScI，位于巴爾的摩的約翰霍普金斯大學(xué)）的天文學(xué)家Kailash C。 Sahu稱，位移的程度與前景天體的質(zhì)量直接相關(guān)，如果是相對(duì)較“輕”的天體，比如恒星，這種位移的程度極為細(xì)微，很難被探測到。在白矮星Stein 2051 B的例子中，受其影響的恒星在天空中的位移大約為2毫角秒，相當(dāng)于觀察2400公里外一個(gè)25美分硬幣的寬度。

探測如此微小的變化需要強(qiáng)大的觀測設(shè)備，比如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上安裝于2009年的高解析度相機(jī)。該設(shè)備還能夠捕捉位移恒星發(fā)出的光線。Sahu稱，這些光線比起Stein 2051 B來簡直微不足道，就像電燈泡旁邊的螢火蟲。

研究人員在2013年10月至2015年10月間進(jìn)行了8次測量。他們觀察了這顆白矮星在天空中的移動(dòng)，遮蔽背景恒星并造成位移。在Stein 2051 B經(jīng)過之后，天文學(xué)家還觀測到了背景恒星的實(shí)際位置。

許多變量都可能影響科學(xué)家能否觀測到更多類似的事件，包括兩個(gè)天體的排列方式、前景天體的質(zhì)量及其與地球的距離、前景天體與背景天體之間的間隔，以及太空望遠(yuǎn)鏡的靈敏度等。不過，Sahu表示，他認(rèn)為自己的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了研究方法的有效性，科學(xué)家每一年都可以用這種方法測量2到4顆鄰近恒星的質(zhì)量。

恒星化石

當(dāng)恒星發(fā)展到白矮星階段時(shí)，其內(nèi)核已經(jīng)不再燃燒氫（不再產(chǎn)生能量），外層的氣體會(huì)逐漸散去，留下密度極高的核心部分。白矮星形成時(shí)，物質(zhì)的塌縮會(huì)導(dǎo)致表面溫度上升，甚至可能高于“活著的”恒星。

“天空中至少97%的恒星，包括太陽在內(nèi)，都將變成或者已經(jīng)變成白矮星，”佛羅里達(dá)州安柏瑞德航空大學(xué)的工程和物理學(xué)教授特里·奧斯瓦爾特（Terry Oswalt）在《科學(xué)》雜志同期的“視角”（Perspectives）欄目文章中寫道，“因?yàn)樗鼈兪撬星按阈堑幕?。白矮星是發(fā)掘星系——如我們所在的銀河系——歷史和演化的關(guān)鍵。”

奧斯瓦爾特并沒有參與此次研究。他指出，Stein 2051 B的質(zhì)量問題已經(jīng)“爭論了超過一百年”。在目前科學(xué)家的設(shè)想中，白矮星的質(zhì)量和半徑可以揭示出它們?nèi)绾涡纬?、由什么物質(zhì)組成，以及來源于哪種類型恒星等關(guān)鍵信息。

此前對(duì)Stein 2051 B的質(zhì)量測量顯示，它主要由鐵構(gòu)成。然而，根據(jù)研究論文的描述，這一發(fā)現(xiàn)存在幾個(gè)與已知白矮星形成和演變理論相悖的問題。比如，要形成如此大量的鐵，演變成Stein 2051 B的恒星需要極其巨大，但對(duì)Stein 2051 B半徑的研究顯示，它來源于一顆比太陽大不了多少的恒星。

如果這些對(duì)Stein 2051 B質(zhì)量的測量是對(duì)的，那天體物理學(xué)家就得回到黑板前，搞清楚這樣一顆白矮星是如何形成的。Sahu稱，天文學(xué)家意識(shí)到他們對(duì)Stein 2051 B的質(zhì)量測量很可能是不對(duì)的，但他們沒有辦法確定這一點(diǎn)。

通常情況下，測量恒星質(zhì)量的唯一方法是觀察它與另一個(gè)巨大天體的互動(dòng)情況。例如，在一個(gè)兩顆恒星互相圍繞運(yùn)轉(zhuǎn)的聯(lián)星系統(tǒng)中，質(zhì)量較大的恒星將對(duì)另一顆恒星施加更大的影響;通過觀察這兩顆恒星隨時(shí)間推移的相互關(guān)系，科學(xué)家可以越來越精確地計(jì)算出它們的質(zhì)量。Stein 2051 B確實(shí)有一個(gè)“同伴”，但二者的距離非常遙遠(yuǎn)，它們對(duì)彼此的影響也十分微弱。

新研究的結(jié)果顯示，Stein 2051 B實(shí)際是一顆非常普通的白矮星，符合已經(jīng)廣被接受的白矮星形成理論。它的質(zhì)量大約是太陽的0.68倍，表明它來源于一顆質(zhì)量是太陽2.3倍的恒星。此前的測量結(jié)果中，Stein 2051 B的質(zhì)量大約是太陽的0.5倍。

Sahu表示，質(zhì)量和半徑都能得到準(zhǔn)確測量的白矮星并不是很多。“研究證實(shí)了白矮星質(zhì)量與半徑之間的關(guān)系，”他說，“（天體物理學(xué)家）一直在使用這一理論，很高興知道它還很站得住腳。”