爱因斯坦曾经认为不可能的事情,天文学家刚刚做到了

作者: Zwicky

来源: 原理

发布日期: 2017-06-08

天文学家首次在太阳系外观测到恒星弯曲背景恒星的星光,这一现象曾被爱因斯坦认为不可能观测到。通过微引力透镜效应,天文学家利用哈勃太空望远镜成功测量了一颗白矮星的质量,验证了爱因斯坦的广义相对论预言。

这是第一次,天文学家在太阳系之外,观测到一颗恒星弯曲了来自另一颗遥远恒星(称之为“背景恒星”)发出的星光,使背景恒星看起来好像在太空中改变了位置。这是一个了不起的发现,甚至连爱因斯坦都认为这种现象不可能被观测到。现在,天文学家证明了爱因斯坦是错的(但也是对的)。

在爱因斯坦发表他的广义相对论后,他就预言了微引力透镜效应。根据广义相对论,大质量物体——比如恒星和黑洞——会弯曲它们周围的时空。弯曲的时空可以表现的跟放大镜一样,改变经过的光线的路径。因此,从地球的视线望去,当一颗遥远的背景恒星正好处于另一颗前景恒星(充当“透镜”)的背后时,微引力透镜就会发生。前景恒星的引力会弯曲来自背景恒星的星光,使它看起来更亮,并且稍微被扭曲。

1919年的日全食,当太阳被月亮遮住的时候,天文学家测量了紧邻太阳的背景恒星的位置,并且将其结果与恒星在夜空中的位置相比较。结果完美的验证了广义相对论的预言,遥远的星光经过太阳的时候的确会被偏折。但是,发生微引力透镜就要求恒星之间的距离非常遥远,以至于爱因斯坦于1936年在《科学》期刊的一篇文章上表示“并没有什么希望能够直接观测到该现象。

”但今天的望远镜技术跟爱因斯坦身处的时代相比要强大的多,这使我们有机会能够看到他曾经认为不可能的。

2014年,一群天文学家利用哈勃太空望远镜发现了一个罕见类型的微引力透镜——一颗致密的白矮星经过了离它数千光年远的另一颗背景恒星。这两颗恒星并没有完美的对齐,但靠的足够近。从下图我们可以看到,当白矮星经过背景恒星,看起来就好像是白矮星将背景恒星推开一样,使背景恒星的运动轨迹呈环状。

同时,天文学家利用了背景恒星的位置变化测量了白矮星的质量,研究结果发表于6月7日《科学》期刊。论文的首作者Kailash Sahu表示他们的发现打开了一个新的领域,过去没有人尝试过这么做,这是一个新的技术。

事实上,爱因斯坦预言如果两颗恒星完美的对齐,那么背景恒星看起来就像是围绕着前景恒星的明亮的环,这被称为爱因斯坦环。Sahu团队发现,由于两颗恒星之间并没有完美的对齐,因此产生的是一个不对称的爱因斯坦环。Sahu的团队并不是巧合或者运气观测到该事件,而是经历了多年的寻找,他们确认了在夜空中移动的5000颗恒星。如果这些恒星在空间中的移动比较明显,那么经过一颗背景恒星的机会就会比较高。

最后,Sahu的团队锁定了三颗有可能造成微引力透镜事件的恒星。其中一颗是位于距地球18光年外的白矮星,称为Stein 2051B。白矮星是恒星演化末期的归宿之一,当低质量恒星耗尽燃料时,它们会肿胀成一颗红巨星,在核心的氦气会聚变为碳和氧。最终,它们会抛去外层气体,只剩下一颗碳-氧核心。在银河系中,大约97%的恒星(包括太阳)最终会成为白矮星。

通过测量背景恒星的位置变化提供了一种直接测量白矮星质量的方法,这种方法测量的质量要比其它技术精确的多。天文学家预计在2014年3月的时候,Stein 2051B会经过一颗背景恒星。Sahu的团队在2013年10月和2015年10月之间对两颗恒星的位置进行了八次观测。由于背景恒星位置的偏折跟白矮星的质量和引力有着直接的关联,他们最终得出该白矮星的质量为0.675倍的太阳质量,在正常的质量范围区间。

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