宇宙錯覺“引力透鏡”：愛因斯坦預言恒星質量！

天文學家已經多次觀察到愛因斯坦環(huán)，以及由非常巨大的前景“透鏡”——如整個星系——形成的“亮度增強事件”。這些現象也可以在銀河系的平面上觀察到，很可能是由那里的單個恒星引起的引力透鏡效應。天文學家還利用這種效應來探測其他恒星附近的行星。

在此次新研究中，天文學家首次報道了對所謂“非對稱透鏡”（asymmetric lensing）的觀測結果，涉及的是兩顆太陽系以外的恒星，其中一顆背景恒星的位置出現了改變。

論文第一作者、空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute，縮寫為STScI，位于巴爾的摩的約翰霍普金斯大學）的天文學家Kailash C。 Sahu稱，位移的程度與前景天體的質量直接相關，如果是相對較“輕”的天體，比如恒星，這種位移的程度極為細微，很難被探測到。在白矮星Stein 2051 B的例子中，受其影響的恒星在天空中的位移大約為2毫角秒，相當于觀察2400公里外一個25美分硬幣的寬度。

探測如此微小的變化需要強大的觀測設備，比如哈勃太空望遠鏡上安裝于2009年的高解析度相機。該設備還能夠捕捉位移恒星發(fā)出的光線。Sahu稱，這些光線比起Stein 2051 B來簡直微不足道，就像電燈泡旁邊的螢火蟲。

研究人員在2013年10月至2015年10月間進行了8次測量。他們觀察了這顆白矮星在天空中的移動，遮蔽背景恒星并造成位移。在Stein 2051 B經過之后，天文學家還觀測到了背景恒星的實際位置。

許多變量都可能影響科學家能否觀測到更多類似的事件，包括兩個天體的排列方式、前景天體的質量及其與地球的距離、前景天體與背景天體之間的間隔，以及太空望遠鏡的靈敏度等。不過，Sahu表示，他認為自己的團隊已經證明了研究方法的有效性，科學家每一年都可以用這種方法測量2到4顆鄰近恒星的質量。

恒星化石

當恒星發(fā)展到白矮星階段時，其內核已經不再燃燒氫（不再產生能量），外層的氣體會逐漸散去，留下密度極高的核心部分。白矮星形成時，物質的塌縮會導致表面溫度上升，甚至可能高于“活著的”恒星。

“天空中至少97%的恒星，包括太陽在內，都將變成或者已經變成白矮星，”佛羅里達州安柏瑞德航空大學的工程和物理學教授特里·奧斯瓦爾特（Terry Oswalt）在《科學》雜志同期的“視角”（Perspectives）欄目文章中寫道，“因為它們是所有前代恒星的化石。白矮星是發(fā)掘星系——如我們所在的銀河系——歷史和演化的關鍵。”

奧斯瓦爾特并沒有參與此次研究。他指出，Stein 2051 B的質量問題已經“爭論了超過一百年”。在目前科學家的設想中，白矮星的質量和半徑可以揭示出它們如何形成、由什么物質組成，以及來源于哪種類型恒星等關鍵信息。

此前對Stein 2051 B的質量測量顯示，它主要由鐵構成。然而，根據研究論文的描述，這一發(fā)現存在幾個與已知白矮星形成和演變理論相悖的問題。比如，要形成如此大量的鐵，演變成Stein 2051 B的恒星需要極其巨大，但對Stein 2051 B半徑的研究顯示，它來源于一顆比太陽大不了多少的恒星。

如果這些對Stein 2051 B質量的測量是對的，那天體物理學家就得回到黑板前，搞清楚這樣一顆白矮星是如何形成的。Sahu稱，天文學家意識到他們對Stein 2051 B的質量測量很可能是不對的，但他們沒有辦法確定這一點。

通常情況下，測量恒星質量的唯一方法是觀察它與另一個巨大天體的互動情況。例如，在一個兩顆恒星互相圍繞運轉的聯星系統(tǒng)中，質量較大的恒星將對另一顆恒星施加更大的影響;通過觀察這兩顆恒星隨時間推移的相互關系，科學家可以越來越精確地計算出它們的質量。Stein 2051 B確實有一個“同伴”，但二者的距離非常遙遠，它們對彼此的影響也十分微弱。

新研究的結果顯示，Stein 2051 B實際是一顆非常普通的白矮星，符合已經廣被接受的白矮星形成理論。它的質量大約是太陽的0.68倍，表明它來源于一顆質量是太陽2.3倍的恒星。此前的測量結果中，Stein 2051 B的質量大約是太陽的0.5倍。

Sahu表示，質量和半徑都能得到準確測量的白矮星并不是很多。“研究證實了白矮星質量與半徑之間的關系，”他說，“（天體物理學家）一直在使用這一理論，很高興知道它還很站得住腳。”