哈勃新用途:用弱引力透镜效应测白矮星质量

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2017-06-13 21:30:55 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:978次 ]

原文标题:Hubble Astronomers Develop a New Use for a Century-Old Relativity Experiment to Measure a White Dwarf's Mass

原文作者:Kailash Sahu;Donna Weaver,Ray Villard

来自:哈勃官网; 发表时间:2017.6.7

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

2017.6.7:爱因斯坦完全颠覆了我们对时空的认识。1915年他发表划时代的《广义相对论》,革命性地预言:质量能弯曲时空结构,质量越大,引力也越大,时空弯曲越明显。在此之前,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的引力理论在200多年中,一直占据统治地位:空间和时间是绝对不变的。4年以后,英国天文学家亚瑟·艾丁顿爵士带领的团队,测量了日全食时太阳对其周围星空的背景恒星的偏移程度,从而证实了爱因斯坦的预言。为了测量其他恒星产生的时空弯曲效应,天文学家不得不等上近一个世纪,直到足够强大的望远镜能够探测到此效应。它就是——美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜。

白矮星在天空背景前运动示意图,小白点是背景恒星,右下是主星。大图:1.2MB,版权:NASA、ESA,研究者团队,下同。

本图由哈勃第三代广域相机(WFC3)的紫外光学(UVIS)通道拍摄,伪彩配色:606nm的红光,蓝;814nm(纳米)的近红外光,橙。图中以蓝色波纹线夸张的标识出白矮星的运动轨迹,其波浪是地球绕太阳运行产生的观测基线变动所致(事实上肉眼无法从图像中分辨)。

借助哈勃的锐眼,天文学家再次证实了一个世纪以前阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的预言。哈勃团队测量了一颗白矮星的质量,方法是测定它对背后星光的弯曲程度。白矮星是普通类太阳恒星的残骸,密度极高。

本次观测,哈勃首次直接目击了一颗遥远恒星产生的(弱)引力(透镜)效应。观测数据为推算白矮星质量提供了可靠的依据,并且让我们得以洞悉这些白矮星的结构、组成,检验相关的理论假说。

1915年,爱因斯坦的《广义相对论》首次准确描述了质量对时空的弯曲效应——就是我们感受到的引力。4年以后,英国天文学家亚瑟·艾丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)带领的团队,测量了日全食时太阳对周围星空中背景恒星的偏移程度,从而证实了爱因斯坦的预言(牛顿力学也认为光线会偏折,但两者计算的结果,广义相对论大了一倍,译注)。这种弯曲效应就是引力透镜效应。

天文学家能够透过这种效应,看到极遥远星系的放大像(强引力透镜效应),也可测量单颗恒星(甚至行星)产生的背景天空的微小形变(弱效应)。为了测量这种弱效应,科学家不得不等待一个世纪,直到技术进步到能够制造、建设足够强大的望远镜,足以测定太阳系外其他恒星产生的这种弱引力透镜效应。这种弯曲效应实在太弱,当前只有哈勃这个极高精度的空间望远镜能够胜任。

弱引力透镜效应示意图(夸张表示)。大图:37.9MB

哈勃观测了近邻白矮星 Stein 2051 B 从背景恒星前经过的变化。由于在视线方向距离极为接近,白矮星的引力弯曲了遥远背景恒星的星光,使得它与实际的天球位置产生了2毫角秒的偏离。这个偏移极为细微,相当于从2400km外,看一个蚂蚁从25美分的硬币上爬过的张角(作为对比,太阳日全食时观测到的恒星位置偏离达1角秒以上。事实上白矮星产生的邻近时空弯曲大很多,但是距离更远得多得多,译注)。

通过对光线偏移程度的测量,天文学家计算出白矮星的质量为0.68个太阳。该结果与理论预期相符。

本技术开启了测定恒星质量新方法的窗口。通常情况下,假如一颗恒星有个伴星,天文学家能够透过双星绕转轨道推算其质量。虽然Stein 2051 B(大写B代表伴星,2051为编号)有一颗“明亮”的红矮星主星Stein 2051 A,但两者距离太远,天文学家迄今无法测算双方的绕转周期——两者相距至少为80亿千米(km),两倍于冥王星的平均轨道半径。

研究报告首席作者、马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所(STScI)的卡拉什·萨胡(Kailash Sahu)解释道:“这种弱引力透镜法测量质量是非常独立而直接的,就像直接对恒星进行比例排序:光线的弯折效应直接与质量和视线偏离距离相关。”

2017.6.5,第230届全美天文学大会在德克萨斯州奥斯汀市召开。6.7中午11:15,萨胡团队在大会上公布了他们的研究成果。

白矮星和被偏移位置的背景恒星的局部大图。大图:467KB

哈勃数据的分析结果,还帮助天文学家独立地检验了白矮星半径与质量的关系,该理论由印度理论天文学家(后入美国籍)钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)提出。团队成员、宾夕法尼亚州立大学公园分校(或称帕克分校)的Howard Bond 继续解说:“我们的测量结果是对白矮星理论的完美验证,它甚至能告诉我们白矮星的内部组分。”

萨胡团队从超过5000个恒星的图像数据库中,辨认出邻近恒星Stein 2051 B,因为它在恒星背景前相对快速地移动。快速移动的前景星,就有较大的机会,从一颗遥远背景恒星的前方经过,并弯折背景恒星的星光。

在确定了Stein 2051 B 的运动方向和背景星场后,研究团队动用哈勃望远镜的第三代广域相机(WFC3),连续2年间,对白矮星和周围的背景星空,分7次进行间隔拍照。

这种观测,不但耗时甚久,还充满挑战。研究团队必须准确分析白矮星的运动方向和速率,精确计算其位置,恰好抵达弱引力透镜能发挥效能的时间点,以便哈勃进行精细观测。

天文学家还必须精确测算星光的微小位移(该偏移远远小于1个像素,译注)。团队成员、哈勃图像精细测算分析组长、STScI 的杰·安德森(Jay Anderson)接着诉苦:“Stein 2051 B 比遥远的背景恒星亮了400倍,因此测量这个极小的光偏移,就像在大灯泡近旁分析萤火虫的运动。光偏移本来就很小,而巨大的辉光使得测量小虫的运动更难。”事实上,本次测量的光偏移角,仅为1919年日全食验证时偏移量的千分之一。

Stein 2051 B以其发现者命名:荷兰(罗马)天主教牧师兼天文学家Johan Stein(约翰·“啤酒杯”)。该星在他编制的星表中排号2051(当年编号时应该尚未发现白矮星)。这颗白矮星离地球约17光年(相当近)、大约已有27亿岁。背景恒星离我们约5000光年。

研究团队还计划用哈勃对离太阳最近的恒星——比邻星(半人马座α C)进行弱引力透镜效应研究(它的密度比太阳高,事实上它与木星的大小类似;但是比白矮星的密度小很多,译注)。

团队研究报告将刊登在2017.6.9出版的《科学》在线版上。

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