百年相對論再經考驗，稱出白矮星精確質量

藉助哈勃空間望遠鏡敏銳的視力，天文學家重複了近一個世紀以前，人們對愛因斯坦廣義相對論所作的一場檢驗。通過觀測一顆白矮星，即一顆普通恆星燃盡之後的殘骸，對另一顆更遙遠恆星的星光產生的偏折作用，哈勃團隊測量出了這顆白矮星的質量。這也是哈勃空間望遠鏡首次觀測到由一顆恆星產生的光線偏折效應。

1915年，愛因斯坦首次提出廣義相對論，描述了大質量物體如何扭曲空間產生了我們所感受到的引力。4年後，這一理論得到了首次觀測實驗的驗證——當時一支由英國天文學家亞瑟·愛丁頓爵士率領的團隊在日全食期間，測量了出現在日面邊緣的恆星的星光受到太陽引力作用而發生偏折的幅度，這種效應稱為微引力透鏡。

利用這一效應，天文學家可以看見遙遠的星系被引力透鏡放大的圖像，也可以在更近的距離範圍內測量恆星在天空中視位置的細微移動。然而，科學家不得不等上一個世紀之久，才能夠建造出足夠強大的望遠鏡，用來檢測太陽系外的單顆恆星所導致的引力扭曲現象。這種現象導致的星光偏折幅度之小，只有視力敏銳的哈勃空間望遠鏡才能夠測量出來。

白矮星的引力彎曲了另一顆恆星的星光，導致哈勃望遠鏡觀測到這顆恆星的位置發生了偏移，再現了近一個世紀前天文學家在日全食期間對愛因斯坦的廣義相對論所作的第一次觀測檢驗。圖片來源：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

確切來說，哈勃觀測了白矮星Stein 2051 B從另一顆背景恆星前方經過的過程。在這兩顆恆星幾乎要對齊的時候，白矮星的引力彎曲了它身後更遠處那顆恆星的星光，使得後者看起來要比實際位置偏移了大約2毫角秒。這一偏移幅度非常之小，相當於在觀測2400千米以外一隻螞蟻爬過一枚一元硬幣的表面。

根據對恆星偏移幅度的測量，天文學家計算出了這顆白矮星的質量，大約為太陽質量的68%。這一結果與理論預言相符。

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從2013年10月1日到2015年10月14日，哈勃望遠鏡對白矮星Stein 2051 B進行了多次觀測，記錄了它從一顆更遙遠的背景恆星前方經過的全過程。對觀測數據進行分析後，天文學家再現了近百年前對廣義相對論的首次檢驗，並測量出了這顆白矮星的質量。圖片來源：NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

這一技術開啟了一種測量恆星質量的全新方法。通常來說，如果一顆恆星擁有伴星，天文學家就能測量這兩顆恆星相互繞轉的軌道運動，從而測定那顆恆星的質量。儘管Stein 2051 B擁有一顆伴星，是一顆明亮的紅矮星，但天文學家仍然無法精確測量它的質量，因為這兩顆恆星間隔太遠了。兩顆恆星間隔了至少80億千米，幾乎是冥王星到太陽當前距離的兩倍。

「對於測量恆星質量來說，微引力透鏡法是一種非常獨立和直接的方法。」美國空間望遠鏡研究所負責此項研究的凱拉什?薩胡（Kailash Sahu）解釋說，「就好像把這顆恆星放在了一桿稱上：恆星偏移的幅度就代表了稱桿上的讀數。」

6月7日，薩胡在得克薩斯州奧斯汀市召開的美國天文學會年會上公布了他們團隊的這些發現。

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白矮星從更遙遠的背景恆星前方經過時，由於光線被白矮星引力掰彎，背景恆星的位置就會發生偏移。圖片來源：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

哈勃的分析還幫助天文學家獨立驗證了通過白矮星質量來確定它半徑的理論，這個想法最早是由印度裔美國天文學家蘇布拉馬尼安·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在1935年提出的。團隊成員、美國賓夕法尼亞州立大學的霍華德?邦德（Howard Bond）說，「我們的測量與白矮星理論符合得很好，甚至向我們透露了白矮星的內部構成。」

薩胡的團隊對一張鄰近恆星星表進行了梳理，其中記錄的5000多顆恆星，看起來都在天空中快速移動。正是從這些數據中，研究團隊圈定了Stein 2051 B和它的背景恆星。看上去在天空中快速移動的這些恆星，從另一顆遙遠的背景恆星前面經過的可能性更大，只有這樣天文學家才有機會去測量星光的偏折。

在圈定了Stein 2051 B這顆白矮星，並測繪了它周圍背景恆星的位置之後，這些研究者利用哈勃望遠鏡上的第三代廣域相機，在長達2年的時間段內，對這顆白矮星進行了7次不同的觀測，記錄了它從選定的背景恆星前方經過的全過程。

哈勃的這項觀測難度極大，耗時也長。研究團隊不得不分析白矮星的速度和運動方向，預言它會在什麼時候抵達偏折星光的位置，以便天文學家能夠使用哈勃望遠鏡來觀測這一現象。

哈勃望遠鏡拍攝的這張照片，展示了2013年10月1日的Stein 2051雙星系統。畫面中心偏上較暗的藍色恆星，就是白矮星Stein 2051 B，右下方較明亮的紅色恆星是它的伴星。由於這對雙星離地球很近，大約只有17光年，因此相對於更遙遠的幾顆背景恆星，它們在天空中會有更明顯的位移。藍色波浪線標明了白矮星在天空中的移動軌跡，可以看到它會從標明了「源恆星」的那顆背景恆星旁邊前方，它的引力足以彎曲那顆恆星的星光。圖片來源：NASA, ESA, and K. Sahu (STScI)

天文學家還必須測量星光偏移的確切幅度。「Stein 2051 B要比那顆遙遠的背景恆星亮400倍，」團隊成員、空間望遠鏡研究所的傑伊?安德森（Jay Anderson）說，「因此，測量這麼小的偏移幅度，就類似於想要看清在一個大燈泡旁邊飛舞的一隻螢火蟲。螢火蟲的移動非常細微，而大燈泡的光芒卻讓我們難以看清它的移動。」事實上，與1919年愛丁頓所作的那次觀測相比，背景恆星的偏移幅度大約是當時的1/1000。

Stein 2051 B得名於它的發現者——荷蘭天主教牧師兼天文學家約翰?斯特恩（Johan Stein）。它距離地球17光年，年齡估計為27億年。那顆背景恆星距離地球大約5000光年。

這些科學家還計劃用哈勃望遠鏡，對離我們太陽系最近的半人馬座比鄰星，展開類似的微引力透鏡研究。

詳細描述這些結果的研究論文，將發表在6月9日出版的《科學》雜誌上。（編輯：Steed）

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