連愛因斯坦都認為這種現象是不可能被觀測到的

這是第一次，天文學家在太陽系之外，觀測到一顆恆星彎曲了來自另一顆遙遠恆星（稱之為「背景恆星」）發出的星光，使背景恆星看起來好像在太空中改變了位置。這是一個了不起的發現，甚至連愛因斯坦都認為這種現象不可能被觀測到。現在，天文學家證明了愛因斯坦是錯的（但也是對的）。

在愛因斯坦發表他的廣義相對論後，他就預言了微引力透鏡效應。從名字或許可以猜出其大意：引力會表現的像透鏡一樣。根據廣義相對論，大質量物體——比如恆星和黑洞——會彎曲它們周圍的時空。彎曲的時空可以表現的跟放大鏡一樣，改變經過的光線的路徑。因此，從地球的視線望去，當一顆遙遠的背景恆星正好處於另一顆前景恆星（充當「透鏡」）的背後時，微引力透鏡就會發生。前景恆星的引力會彎曲來自背景恆星的星光，使它看起來更亮，並且稍微被扭曲。

1919年的日全食，當太陽被月亮遮住的時候，天文學家測量了緊鄰太陽的背景恆星的位置，並且將其結果與恆星在夜空中的位置相比較。結果完美的驗證了廣義相對論的預言，遙遠的星光經過太陽的時候的確會被偏折。（圖片來源：F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON, C. DAVIDSON）

但是，發生微引力透鏡就要求恆星之間的距離非常遙遠，以至於愛因斯坦於1936年在《科學》期刊的一篇文章上表示「並沒有什麼希望能夠直接觀測到該現象。」 但今天的望遠鏡技術跟愛因斯坦身處的時代相比要強大的多，這使我們有機會能夠看到他曾經認為不可能的（直接探測到引力波的存在也是愛因斯坦的當年無法預料到的）。

2014年，一群天文學家利用哈勃太空望遠鏡發現了一個罕見類型的微引力透鏡——一顆緻密的白矮星經過了離它數千光年遠的另一顆背景恆星。這兩顆恆星並沒有完美的對齊，但靠的足夠近。從下圖我們可以看到，當白矮星經過背景恆星，看起來就好像是白矮星將背景恆星推開一樣，使背景恆星的運動軌跡呈環狀。當然，這不是真實發生的，只是看起來是這樣的。

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該圖描繪了白矮星是如何彎曲背景恆星發出的光線的。（圖片來源：The Verge）

同時，天文學家利用了背景恆星的位置變化測量了白矮星的質量，研究結果發表於6月7日《科學》期刊。論文的首作者 Kailash Sahu 表示他們的發現打開了一個新的領域，過去沒有人嘗試過這麼做，這是一個新的技術。同樣發表在《科學》期刊的另一篇相關文章《來自愛因斯坦的百年禮物》中，作者 Terry Oswalt 表示此次的發現能夠更好的幫助我們理解「星系的歷史和演化」。

事實上，愛因斯坦預言如果兩顆恆星完美的對齊，那麼背景恆星看起來就像是圍繞著前景恆星的明亮的環，這被稱為愛因斯坦環。Sahu團隊發現，由於兩顆恆星之間並沒有完美的對齊，因此產生的是一個不對稱的愛因斯坦環。Oswalt表示：「該環和它的亮度變化都太小了，難以測量，但是不對稱導致遙遠恆星看起來偏離了它真實位置的中心。愛因斯坦這部分的預言被稱為『天體測量的透鏡』，Sahu的團隊是第一個在除了太陽以外的恆星上看到這個現象。」

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愛因斯坦環。（圖片來源：The Verge）

Sahu的團隊並不是巧合或者運氣觀測到該事件，而是經歷了多年的尋找，他們確認了在夜空中移動的5000顆恆星。如果這些恆星在空間中的移動比較明顯，那麼經過一顆背景恆星的機會就會比較高。

最後，Sahu的團隊鎖定了三顆有可能造成微引力透鏡事件的恆星。其中一顆是位於距地球18光年外的白矮星，稱為Stein 2051B。白矮星是恆星演化末期的歸宿之一，當低質量恆星耗盡燃料時，它們會腫脹成一顆紅巨星，在核心的氦氣會聚變為碳和氧。最終，它們會拋去外層氣體，只剩下一顆碳-氧核心。在銀河系中，大約97%的恆星（包括太陽）最終會成為白矮星。

白矮星非常緻密，它之所以不繼續坍縮成為黑洞是因為電子的簡併壓力會抵抗引力。這就意味著它們的大小和質量存在著上限。白矮星的質量和半徑間的關係是由諾貝爾得主錢德拉塞卡給出的，但很難被證明。

白矮星會彎曲周圍的時空，並彎曲來自背景恆星的星光。實線為恆星真實的位置，虛線為觀測到的恆星位置。（圖片來源：NASA，ESA and A.Field）

過去，天文學家試圖估算Stein 2051B的質量，但他們認為該白矮星的質量太低，使它變得像異類般的存在，除非它擁有奇異般的成分以及一個鐵核才能夠解釋。然而，微引力透鏡卻描繪了一幅不一樣的圖景：Stein 2051B的質量看起來相當正常。

通過測量背景恆星的位置變化提供了一種直接測量白矮星質量的方法，這種方法測量的質量要比其它技術精確的多。天文學家預計在2014年3月的時候，Stein 2051B會經過一顆背景恆星。Sahu的團隊在2013年10月和2015年10月之間對兩顆恆星的位置進行了八次觀測。由於背景恆星位置的偏折跟白矮星的質量和引力有著直接的關聯，他們最終得出該白矮星的質量為0.675倍的太陽質量，在正常的質量範圍區間。

天文學家利用哈勃望遠鏡對白矮星進行觀測，當它經過背景恆星時，會偏折星光。通過測量偏折的程度可以測量白矮星的質量。（圖片來源：NASA, ESA, and K. Sahu）

該研究解決了天文學家對Stein 2051B的質量和成分長久以來的困惑；

Sahu的團隊漂亮地驗證了錢德拉塞卡的質量-半徑的關係。我們現在知道Stein 2051B是完全正常的，它並不是過去一直認為的一顆具有奇異成分的大質量的白矮星。

這個測量天體質量的新方法非常有價值。下一代的望遠鏡將會追蹤成千上億顆恆星的位置，將會更頻繁的觀測到此類「罕見」的事件。

參考來源：

【1】K.C. Sahu el al., "Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aal2879

【2】"A centennial gift from Einstein," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aan2996

【4】https://phys.org/news/2017-06-einstein-theory-relativity.html

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