哈勃新用途：用弱引力透镜效应测白矮星质量

　　原文标题：Hubble Astronomers Develop a New Use for a Century-Old>　　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。