引力微透鏡威力巨大 恆星附近發現多顆行星
天體物理學家在宇宙中發現了一個令人不可思議的星系，在這個星系中發現了多顆行星，其體積最小的和月球差不多，最大的幾乎有木星那麼大。這項發現要歸功於一項新技術——引力微透鏡。
通過美國國家航空航天局（NASA）的錢德拉X射線天文台觀測數據合成的類星體RX J1131-1231圖片
天體物理學家在宇宙中發現了一個令人不可思議的星系，在這個星系中發現了多顆行星，其體積最小的和月球差不多，最大的幾乎有木星那麼大。
要知道，在銀河系內部發現一顆太陽系外行星都是一件極其困難的事情，天文學家的這一次成功發現絕非易事。俄克拉何馬大學的研究人員能夠得到這一發現，要歸功於一種被稱為引力微透鏡的天體物理學技術。
愛因斯坦的廣義相對論最早預言了引力微透鏡技術，這一技術早已被科學家用於在銀河系中發現太陽系外行星，如果想要在距離地球數千光年之外，觀測發現最小、最遙遠的行星，這種技術是目前已知的唯一可行途徑。
引力透鏡效應是愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種現象。由於時空在大質量天體附近會發生畸變，使得光線經過大質量天體附近時發生彎曲。如果在觀測者到光源的直線上有一個大質量的天體，則觀測者會看到由於光線彎曲而形成的一個或多個像，這種現象稱之為引力透鏡現象。
引力透鏡效應發展不過幾十年時間，但現在已經成為宇宙學中的一種重要測量手段。針對不同的尺度、距離、質量的天體，三種引力透鏡交替發揮作用，提供了大量信息，這也為宇宙學的發展做出了重大貢獻。可以預見，引力透鏡效應的研究及其應用在將來具有巨大的前景。
行星在圍繞恆星運行形成恆星星系，這一星系中存在著引力場，這種引力場可以使恆星星系背後的遙遠恆星發出的光線在傳播過程中發生彎曲。
通過科學家的研究工作，我們已經知道了在僅有兩顆恆星存在的情況下，這種光線彎曲的現象是什麼樣子的，如果行星在運行過程中與兩顆恆星的光線相交，就會對光線進一步造成擾動，這種經過擾動的光線傳遞到地球時，就會形成一種可識別的特徵性光線痕迹，我們就是通過這種光線痕迹來識別確定該恆星星系是否存在銀河系外行星。
到目前為止，我們已經通過這種方法在銀河系內發現了53顆太陽系外行星。但是，想要在銀河系以外更加遙遠的地方發現銀河系外行星，通過僅有一顆恆星的引力微透鏡技術是無法做到的，需要多顆恆星才能夠實現這一目標。
在距離地球60億光年之外的宇宙中存在著一個名為RX J1131-1231的類星體，俄克拉何馬大學天文學家戴新宇、愛德華多·格拉斯研究發現，這個類星體是浩瀚星雲中最佳的一個可以用作引力透鏡的類星體。
1960年，美國天文學家桑德奇用一台5米口徑的光學望遠鏡找到了劍橋射電源第三星表上第48號天體(3C48)的光學對應體。他發現3C48的光譜中，在一個奇怪的位置上有一些又寬又亮的發射線。1963年，美國天文學家馬丁·施密特發現在3C273的光譜中具有與3C48類似的現象，通過仔細研究，他發現這些發射線實際上是人們早已熟知的氫的發射線，只不過朝著紅光的方向移動了相當長的一段距離，也就是說它們具有非常大的紅移。如果在光學望遠鏡中觀察，類星體與普通的恆星看上去似乎沒有區別，因此得名類星體。
藝術概念圖：包圍著天鵝座V404黑洞的吸積盤，以及其附近形成的「大風」。
在距離地球38億光年的位置存在著一個星系，這個星系正好位於地球與類星體RX J1131-1231之間，距離地球38億光年的這一星系的引力場導致類星體RX J1131-1231發出的光線發生了彎曲，並形成了NASA的錢德拉X射線天文台拍攝到的四張關於類星體RX J1131-1231的圖片，類星體RX J1131-1231的吸積盤溫度極高，導致該類星體中的活躍特大質量黑洞放射出極其明亮的X射線。
吸積盤是一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤。盤內的摩擦力使氣體逐漸螺旋下落，被吸積到黑洞或星體。比較典型的中心體有年輕的恆星，源恆星，白矮星，中子星以及黑洞。重力使得盤中的物質沿螺線被吸附至中心體；角速度的不同則使得物質進行著角差轉動。而引力場使得物質被壓縮，同時激發出電磁輻射。被激發出的射線頻率取決於中心體的形式。若中心體為年輕的恆星或者源恆星，那麼吸積盤輻射多半處於紅外區，而中子星及黑洞產生的吸積盤的輻射多半處於光譜的X-射線區域。
錢德拉X射線天文台
科學家研究了美國國家航空航天局（NASA）錢德拉X射線天文台的觀測數據，他們發現，類星體RX J1131-1231發出的光線存在著特殊的譜線位移，這種譜線位移情況僅能解釋為，有行星在運行過程中與兩顆恆星或類星體的光線相交，對光線進一步造成擾動並形成了譜線位移情況。
經過進一步研究發現，在銀河系外星系的恆星之間，大約存在著2000顆行星，其質量約在月球與木星之間。
類星體RX J1131-1231內部超大質量黑洞正以5.4億千米每小時的速度高速旋轉，這相當於光速的一半。科學家們曾經測量過黑洞的旋轉速率，但從未測量過如此遙遠的黑洞。這個黑洞位於距離地球60億光年遠的類星體內。
黑洞是異常密集的區域以至於即使是光子也無法逃離它的引力拖拽作用。當黑洞遇到并吞噬宇宙鄰居時，就留下了它存在的證據。黑洞的旋轉速率將提供有關黑洞和它的宿主行星之間關係的線索。
電腦模型顯示黑洞旋轉速率取決於黑洞可以消耗的物質量。例如，從臨近合併星系裡獲得持續穩定氣體的黑洞比那些進食飄忽不定——也就是周圍可以消耗的臨近星系非常有限——的黑洞的旋轉速率要快。
美國密西根大學的天文學家馬克·雷諾茲說，類星體RX J1131-1231 內部存在的超大質量黑洞的旋轉速率暗示著這個黑洞的吞噬非常穩定，很可能是以「切碎」的臨近星係為食。根據計算，這個超大質量黑洞每年的消耗大約相當於333000個地球。
科學家們希望測量其它甚至更遙遠的超大質量黑洞的旋轉速率，以調查更古老的黑洞的情況有何不同。測量較大時間範圍內的黑洞旋轉速率的技術，能夠幫助人類直接研究黑洞是否會與宿主星系一同進化。
類星體RX J1131-1231內部超大質量黑洞每年的消耗大約相當於333000個地球
「這一發現著實讓我們感到振奮。這是人類第一次在銀河系之外發現行星，」天文學家戴新宇說。
2014年，天文學家發現，位於事件視界半徑三倍的吸積盤內的一個區域發射出X射線，這意味著黑洞必須旋轉得非常快，以至於吸積盤可以在這麼小的半徑內存在。密歇根大學的魯本斯·雷斯領導的一個小組利用美國宇航局的錢德拉X射線天文台和歐洲航天局的XMM牛頓望遠鏡X射線天文台，觀測發現了類星體RX J1131-1231。
研究小組觀察發現。吸積盤最內部區域產生的X射線在盤旋，並向類星體的黑洞提供能量。通過測量吸積盤的半徑，天文學家計算髮現，黑洞的轉速幾乎是光速的一半。類星體的快速旋轉表明黑洞正在吞噬大量的氣體和塵埃。
地球與RX J1131-1231之間存在著一個巨大的橢圓星系，該橢圓星系本身就是類似於類星體的其他星系的一部分，類星體RX J1131-1231的測量工作就是通過橢圓星系的引力透鏡效應進行的。
橢圓星系形成了一個四重引力透鏡，放大了來自類星體RX J1131-1231的光線。強烈的引力透鏡效應也產生了測量的時間延遲，這形成了一個有趣的現象，在一個圖像中，透鏡物體將在另一個圖像之前被觀察到，也就是說，人類是先觀測到類星體RX J1131-1231，然後再觀測到橢圓星系。
當然，我們目前還不能直接觀測到這些行星，目前活著的人們在有生之年也不太可能直接觀測到這些行星。但是，這一次能夠發現這些行星不僅提供了其他星系存在行星的直接證據，也證明了引力微透鏡技術的巨大威力。
當然，常識告訴我們宇宙中的其他星系中肯定存在著銀河系外恆星，但是，能夠得到實實在在的證據也是一種巨大的進步。
「這一發現證明，銀河系外引力微透鏡分析技術具有強大的威力，」天文學家格拉斯說：「這個星系距離地球38億光年，人類幾乎沒有任何辦法直接觀測到該星系中的行星，即便是使用科幻小說中最強大的望遠鏡都無法做到直接觀測。但是，我們通過銀河系外引力微透鏡分析技術，就能夠對該星系中的行星進行研究，發現它們的存在，甚至是估計出它們的質量大小。這是一項很酷的科研工作。」
這項研究已經發表於《天體物理學雜誌》。
來源：http://sciencealert.com
譯者：朱川
責編：鍾天意
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