概括
天文學家利用自然的把戲來“稱量”一顆死星
羅伯特·弗羅斯特 (Robert Frost) 在 1923 年寫的一首著名的短詩“Nothing Gold Can Stay”以這樣結尾：“So dawn goes down to day. Nothing gold can stay.”
儘管弗羅斯特說的是地球上的一天，但這也適用於未來 50 億年，屆時金色的太陽最終將燃燒殆盡，坍塌成昔日輝煌的沸騰白熱煤渣。 天文學家稱這顆恆星殘骸為白矮星。 估計有 100 億顆這樣的恆星屍體散落在我們的銀河墓地中。
雖然太陽的最終命運在遙遠的未來，但天文學家現在想了解很多關於白矮星的信息。 白矮星為我們提供了恆星如何在數十億年內演化的線索。 天文學家通過光譜分析白矮星發出的光來收集大量信息。 而且，了解矮星的質量是恆星演化中最重要的因素之一。 但是稱量白矮星或任何其他類型的恆星並不容易。 太空中沒有任何浴室秤。
艾薩克牛頓的萬有引力定律允許通過觀察月球軌道來估計地球的質量。 相同的牛頓方程可用於測量圍繞伴星運行的白矮星的質量。 但是天文學家使用哈勃望遠鏡對一顆白矮星進行了完全不同的質量估計，這顆白矮星沒有應用牛頓物理學所需的恆星伴星。
他們不得不求助於更現代的物理學——愛因斯坦的廣義相對論——它解釋了大質量物體的引力如何扭曲空間。 這會在空間結構中形成一個坑洞，當前景物體從背景恆星前面經過時，它會彎曲背景恆星的光線。 天空的偏轉越大，繞過的天體就越大。 但偏轉量極小，需要哈勃的敏銳視力和一定的耐心。 這項精確測量是針對附近快速移動的白矮星 LAWD 37 進行的。天文學家測得的質量是太陽質量的 0.56 倍。 而且，這與關於典型白矮星的重量應該是多少的理論非常吻合。
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天文學家使用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡首次直接測量了單個孤立白矮星的質量——白矮星是一顆燒毀的類太陽恆星的倖存核心。
研究人員發現，這顆白矮星的質量是太陽質量的 56%。 這與早期對白矮星質量的理論預測一致，並證實了當前關於白矮星如何作為典型恆星演化的最終產物演化的理論。 這一獨特的觀察讓我們對白矮星的結構和組成理論有了深入的了解。
到目前為止，以前的白矮星質量測量是通過觀察雙星系統中的白矮星收集到的。 通過觀察兩顆共軌恆星的運動，可以使用簡單的牛頓物理學來測量它們的質量。 然而，如果白矮星的伴星處於數百年或數千年的長周期軌道上，這些測量結果可能是不確定的。 軌道運動只能通過望遠鏡測量矮星軌道運動的一小部分。
對於這顆沒有伴星的白矮星，研究人員不得不使用一種叫做引力微透鏡的自然技巧。 背景恆星發出的光由於前景矮星引起的空間引力扭曲而略微偏轉。 當白矮星從背景恆星前方經過時，微透鏡導致恆星暫時偏離其在天空中的實際位置。
結果是 報告 在裡面 英國皇家天文學會月刊. 主要作者是 Peter McGill，前劍橋大學（現位於加州大學聖克魯茲分校）。
麥吉爾使用哈勃望遠鏡精確測量了一顆遙遠恆星發出的光線如何圍繞白矮星彎曲，即 LAWD 37，從而導致背景恆星暫時改變其在天空中的明顯位置。
馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的 Kailash Sahu 是這次最新觀測的首席哈勃望遠鏡研究員， 2017 年首次使用微透鏡測量另一顆白矮星 Stein 2051 B 的質量. 但是那個矮人處於一個廣泛分離的雙星系統中。 “我們最新的觀察提供了一個新的基準，因為 LAWD 37 完全獨立，”Sahu 說。
LAWD 37 是一顆 10 億年前燃燒殆盡的恆星的坍塌殘骸，因為它位於蒼蠅座，距離地球僅 15 光年，因此受到了廣泛研究。 “因為這顆白矮星離我們比較近，所以我們有很多關於它的數據——我們有關於它的光譜的信息，但這個難題的缺失部分是對其質量的測量，”麥吉爾說.
得益於 ESA 的蓋亞太空天文台，該團隊將注意力集中在白矮星上，該天文台對近 20 億顆恆星的位置進行了極其精確的測量。 多個蓋亞觀測可用於追踪恆星的運動。 根據這些數據，天文學家能夠預測 LAWD 37 將在 2019 年 11 月短暫地經過背景恆星前。
一旦知道這一點，哈勃望遠鏡就被用來在幾年內精確測量白矮星經過期間背景恆星在天空中的表觀位置是如何暫時偏轉的。
“這些事件很少見，影響也很小，”麥吉爾說。 “例如，我們測量的偏移量大小就像測量從地球上看月球上汽車的長度。”
由於背景恆星發出的光非常微弱，天文學家面臨的主要挑戰是從白矮星的強光中提取它的圖像，白矮星比背景恆星亮 400 倍。 只有哈勃望遠鏡才能在可見光下進行此類高對比度觀測。
“LAWD 37 的質量測量精度使我們能夠測試白矮星的質量-半徑關係，”麥吉爾說。 “這意味著在這顆死星內部的極端條件下測試簡併物質理論（一種在重力下被超級壓縮的氣體，它的行為更像固體物質），”他補充說。
研究人員表示，他們的結果為利用蓋亞數據預測未來事件打開了大門。 除了哈勃望遠鏡，現在還可以使用美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡檢測到這些排列。 因為韋伯在紅外波長下工作，前景白矮星的藍色輝光在紅外光下看起來更暗，而背景恆星看起來更亮。
基於蓋亞的預測能力，薩胡正在用美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀測另一顆白矮星 LAWD 66。 第一次觀測是在 2022 年進行的。更多的觀測將被視為 2024 年的偏轉峰值，然後消退。
“蓋亞確實改變了遊戲規則——能夠使用蓋亞數據預測事件何時發生，然後觀察它們的發生，真是令人興奮，”麥吉爾說。 “我們希望繼續測量引力微透鏡效應，並獲得更多類型恆星的質量測量值。”
在他 1915 年的廣義相對論中，愛因斯坦預測，當一個巨大的緻密天體從背景恆星前經過時，由於引力場引起的空間扭曲，來自恆星的光會圍繞前景物體彎曲。
1919 年，在哈勃最新觀測的整整一個世紀前，兩次英國組織的南半球探險隊在 5 月 19 日的日食期間首次發現了這種透鏡效應。 它被譽為廣義相對論的第一個實驗證據——引力使空間扭曲。 然而，愛因斯坦持悲觀態度，認為由於涉及到精確性，這種效應永遠無法檢測到太陽系外的恆星。 “我們的測量結果比 1919 年日食時測量到的影響小 625 倍，”麥吉爾說。
哈勃太空望遠鏡是NASA和ESA的國際合作項目。 位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心負責管理該望遠鏡。 位於巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所 (STScI) 進行哈勃科學操作。 STScI 由位於華盛頓特區的大學天文學研究協會為 NASA 運營
Source: The NASAHubble Space Telescope