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史匹哲拍到最低溫伴星的影像

臺北天文館_96
・2011/10/24 ・932字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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美國賓州大學(Pennsylvania State University)天文學家 Kevin Luhman等人,利史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)直接拍攝到一個鄰近恆星和它伴星的影像,其中,這顆伴星是迄今已知表面溫度最低的,僅相當於地球表面一般夏天的氣溫而已。

Luhman等人從史匹哲的紅外觀測資料,分析600多張影像才發現這顆編號為WD 0806-661 B的低溫天體,從右上動畫可見2004與2009年間這兩顆恆星的位置變動幾乎同步。WD 0806-661 B表面溫度約僅攝氏27~70度,初估WD 0806-661 B的質量約為6~9倍木星質量,從質量大小看起來像顆氣體巨行星,但Luhman等人認為雖不能排除它是顆系外行星的可能性,然而從運動方式及其他特徵看來,這顆伴星應該是顆棕矮星。

從WISE和史匹哲的觀測資料,都顯示WD 0806-661 B可能是屬於新近才定義的新型天體—Y型矮星(Y dwarf),這是所有棕矮星中表面溫度最低的。棕矮星並不見得一定得繞著另一顆恆星轉,而是可以獨立存在於太空中,如WISE前陣子宣布發現的最低溫Y型矮星,均為獨立存在的棕矮星(請參見天文新知 2011-08-28 WISE發現僅相當於人類體溫的最低溫類恆星天體)。不過WD 0806-661 B倒是與另一顆天體WD 0806-661互繞,並非單獨的天體。

這對雙星距離太陽系約63光年,主星WD 0806-661本身是顆白矮星,即類似太陽大小的恆星,演化到末期,外層大氣向外膨脹逸散後,殘餘的熾熱核心。伴星B發現於2011年春季,直到現在才證實它的存在與性質。主星與伴星B之間相距約2500AU,以行星而言,這樣的距離太過遙遠,不太可能是在恆星周圍的塵埃盤中形成的行星,所以比較可能是類似恆星方式誕生的雙星系統。

此外,賓州大學John Bochanski等人則進行WD 0806-661 B的大氣研究,這是太陽系以外天體最詳細的氨氣測量,結果發現這顆棕矮星的大氣非常接近系外行星的大氣。由於棕矮星通常會單獨存在或與伴星離一段距離,少了母恆星明亮光輝的干擾,使得棕矮星比系外行星更容易研究大氣狀態,再將對棕矮星大氣的研究結果用在系外行星上。而大氣溫度低到與地球表面溫度相當的棕矮星,更可提供系外天體大氣狀況的理論限制,不再天馬行空,讓我們能更瞭解這個宇宙的天體性質。

資料來源:

  1. Record-Breaking Photo Reveals a Planet-sized Object as Cool as the Earth
  2. NASA:Spitzer Snaps a Picture of the Coolest of Companions

轉載自台北天文館之網路天文館網站

文章難易度
臺北天文館_96
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發現最靠近地球的黑洞:Gaia BH1
全國大學天文社聯盟
・2022/11/30 ・2897字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/林彥興|清大天文所碩士生、EASY 天文地科團隊主編、全國大學天文社聯盟監事

本月初 [1],「最靠近地球的黑洞」這個紀錄被刷新了!以天文學家 Kareem El-Badry 為首的團隊,利用蓋亞(Gaia)衛星極度精準的天體位置資料,加上多座望遠鏡聯合進行的徑向速度量測,成功確認了約 1550 光年外位於蛇夫座的一顆恆星,正與黑洞互相繞行,打破離地球最近的黑洞紀錄。

狩獵隱身巨獸的方法

人類搜尋黑洞已經有數十年的歷史。對於正在「進食」,也就是正在吸積物質的黑洞,由於其周遭的吸積盤和噴流等結構會在無線電、X 射線等多個波段發出強烈的電磁輻射,因此相對容易看到;但沒有在進食的黑洞,就要難找許多。

畢竟黑洞之所以被叫做黑洞,就是因為它本身幾乎不會發光。想要尋找這些「沉默」黑洞的方法,通常只能靠著黑洞的重力對其週遭的影響,間接推測黑洞的存在。

其中最常見的方法,就是尋找「繞著看不見的物體旋轉的恆星」。一般來說,恆星在天空中移動的軌跡應只受恆星的視差和自行影響,但如果恆星在與另一個大質量的天體互相繞行,比如我們的目標:沉默的黑洞,那恆星的軌跡就會受到黑洞影響。

因此觀測恆星的移動軌跡,是尋找沉默黑洞的重要方法之一。這個方法最著名的例子,就是 2020 年諾貝爾物理獎得主 Reinhard Genzel 與 Andrea Ghez 藉由長時間觀測銀河系中心的恆星運動(位置與徑向速度),從而確認了銀河系中心超大質量黑洞的存在。

UCLA 的銀河中心觀測團隊即是以觀測恆星的運動確認銀河系中央超大質量黑洞的存在。圖/UCLA Galactic Center Group – W.M. Keck Observatory Laser Team

但由於方法間接,用這類方式尋找黑洞時往往很難確定那個「看不見的物體」到底是不是黑洞。舉例來說,2020 年歐南天文台的天文學家宣布發現 HR 6819 是一個包含黑洞的三星系統,卻在更多更仔細的研究後遭到推翻。因此從恆星的運動來尋找「黑洞候選者」相對不難,但是想要消滅所有其他的可能性,「確定」黑洞的存在,就不是一件容易的事。

多方聯合|鎖定真身

那麼,這次的新研究是怎麼「確定」黑洞的存在的呢?

第一步,天文學家們先把目標鎖定在「形跡詭異」的恆星。因為當一顆恆星與黑洞互相繞行時,恆星在天上的運行軌跡會因為黑洞的引力而有週期性的擺盪。所以,如果我們看到有個恆星的軌跡歪歪扭扭,這顆恆星很可能就是受到黑洞重力影響的候選者。

而目前,蓋亞衛星(Gaia)提供的天體位置資料是當之無愧的首選。蓋亞是歐洲太空總署(ESA)於 2013 年發射的太空望遠鏡,與著名的韋伯太空望遠鏡一樣運行在日地第二拉格朗日點。

但與十項全能的韋伯不同,蓋亞是「天體測量學 Astrometry」的專家,專門以微角秒等級的超高精確度測量天體的位置。每隔幾年,蓋亞團隊就會整理並公布他們的觀測結果,稱為資料發布(Data Release)。目前最新的「第三次資料發布 DR3」之中,就包含了超過 18 億顆天體的海量資料。

歐洲太空總署(ESA)的蓋亞衛星(Gaia)是當前測量天體位置和距離無庸置疑的首選。圖/ESA/ATG medialab; background: ESO/S. Brunier

經過篩選,團隊發現一顆名為 Gaia DR3 4373465352415301632 的恆星看起來格外可疑。這是一顆視星等 13.77(大概比肉眼可見極限暗 1300 倍,但以天文學的角度來說算是相當亮)、與太陽十分相似的恆星,距離地球約 1550 光年。

畫面中央的明亮恆星即是這次的主角 Gaia BH1。圖/Panstarrs

找到可能的候選者後,團隊一方面翻閱過去觀測這顆恆星的歷史資料,另一方面也申請多座望遠鏡,進行了四個月的光譜觀測。同時使用從蓋亞衛星的位置(赤經、赤緯、視差)以及從光譜獲得的徑向速度資訊,團隊可以精確地計算出這顆恆星應當是正在繞行一個 9.6 倍太陽質量的天體運轉。

這麼大的質量,卻幾乎不發出任何光,黑洞幾乎是唯一可能的解釋。

但以現有的觀測資料,天文學家仍不能確定它到底是一顆黑洞,還是有兩顆黑洞以相當近地軌道互相繞行,然後恆星再以較大的軌道繞著兩顆黑洞運轉。但無論是一顆或兩顆,Gaia BH1 都刷新了離地球最近黑洞的紀錄,距離僅有 1550 光年,比上一個紀錄保持人(LMXB A0620-00)要近了三倍。從銀河系的尺度來看,這幾乎可說是就在自家後院。

結合蓋亞與其他多座望遠鏡的光譜觀測,天文學家可以計算出 Gaia BH1 在天空中的移動軌跡(左圖黑線)與其軌道形狀(右圖)。注意除了恆星與黑洞互繞所造成的移動外,恆星在天上的位置也受視差和自行影響,兩者在左圖中以藍色虛線表示。圖/El-Badry et al. 2022.
天文學家計算出的 Gaia BH1 徑向速度(RV)變化(黑線)與觀測結果(各顏色的點)。圖/El-Badry et al. 2022.

更多黑洞就在前方

最後讓我們來聊聊,找到「離地球最近的黑洞」有什麼意義呢?

「離地球最近的黑洞」這個紀錄本身是沒有太多意義的。雖然說從銀河系的尺度來說,1550 光年幾乎可說是自家後院,但是這顆黑洞並不會對太陽系、地球或是大家的日常生活產生任何影響。既然如此,為什麼天文學家還會努力尋找這些黑洞呢?

其中一大原因,是因為尋找這些與恆星互相繞行的黑洞,可以幫助天文學家了解恆星演化的過程。在銀河系漫長的演化歷史中,曾有數不清的恆星誕生又死亡。我們看不到這些已經死亡的恆星,但可以藉由這次研究的方法,去尋找這些大質量恆星死亡後留下的黑洞 [2],從而推測雙星過去是如何演化,留下的遺骸才會是如今看到的樣子。

除了 Gaia BH1,天文學家也在持續研究 Gaia DR3 之中其他「形跡可疑」的恆星/黑洞雙星候選系統。而隨著蓋亞衛星的持續觀測,更多這類黑洞候選者將會越來越多。研究這些系統,將幫助天文學家進一步了解雙星系統演化的奧秘。

註解

[1] 嚴格來說,論文九月中就已經出現在 arXiv 上了。

[2] 嚴格來說,恆星質量黑洞(stellar mass black hole)是大質量恆星的遺骸。超大質量黑洞(supermassive black hole)就不一定了。

延伸閱讀

  1. El-Badry, K., Rix, H. W., Quataert, E., Howard, A. W., Isaacson, H., Fuller, J., … & Wojno, J. (2022). A Sun-like star orbiting a black hole. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society518(1), 1057-1085.
  2. [2209.06833] A Sun-like star orbiting a black hole
  3. Astronomers Discover Closest Black Hole to Earth | Center for Astrophysics
  4. The Dormant Stellar-Mass Black Hole that Actually Is | astrobites
  5. Astronomers find a sun-like star orbiting a nearby black hole
  6. 狩獵隱身巨獸:天文學家發現沉默的恆星質量黑洞? – PanSci 泛科學
  7. 「最靠近地球的黑洞」其實不是黑洞
  8. 人們抬頭所遙望的星空是恆定不變嗎? – 科學月刊Science Monthly

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LB-1 雙星系統的神秘伴星到底是什麼?一顆失落黑洞的論戰
活躍星系核_96
・2020/05/19 ・4066字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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  • 文/陳明堂│中央研究院天文所及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長。

在過去的幾個月中,關於一顆黑洞存在與否的問題,在天文學界引發一場熱烈的科學論戰。

論戰的起源來自去年 (2019) 11 月底,《自然》雜誌刊登的一篇關於發現黑洞的論文。那是由中國天文學家領導的國際科學團隊發表的研究成果。他們宣稱找到一顆非常特別的黑洞。特別的地方在於這個黑洞的質量:相當於 70 個太陽。

對專門研究「星體黑洞」(Stellar Black Hole ,或稱恆星黑洞)的科學家而言,質量大於 10 個太陽的黑洞就算是很罕見了。因此,找到一顆 70 個太陽質量的恆星黑洞,會是個空前的發現,而且可能改寫重要的黑洞和星球形成理論。因此這個成果登上了《自然》科學雜誌中,並且引起國際天文界的注意。

藝術家所繪雙星系統星球黑洞示意圖。主要根據甚大望遠鏡(Very Large Telescope)與錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)針對另一雙星系統的觀察。圖\wikipedia Credit:ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

這次成果的觀測資料主要來自於中國的「郭守敬望遠鏡」,搭配西班牙的 Gran 望遠鏡和夏威夷的凱克望遠鏡。郭守敬望遠鏡 (英文名: Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope ,簡稱 LAMOST) 是一座由中國主導建造的光學望遠鏡。主鏡的直徑 4 公尺,望遠鏡位在北京西北邊約 115 公里,海拔九百多公尺的興隆觀測站。 這座望遠鏡是十年前完成的。這一次的空前發現,對這一座觀測環境並不是太理想的國家級望遠鏡,是一件轟動中國科學界的大事。

某些恆星的末路:恆星黑洞

以目前我們對於恆星演化的理解,當星球把所有的燃料用光的時候,那時候它們再也沒有能量維持向外的壓力,而它本身的重力將會把所有的質量往內擠壓。如果星球的質量足夠大的話,它的重力可以大到把自己一直往內塌縮,一直縮到「事件視界」的範圍內。從這個過程產生的黑洞,我們稱之為恆星黑洞,或是「星體黑洞」。

並不是所有星球的演化都會產生黑洞的;像我們的太陽,它的質量還不足夠大到能形成黑洞程度,當它燃料用盡時會變成「白矮星」。而比太陽大一些的星體,會變成「中子星」。

當一顆巨大的恆星耗盡燃料時,它會坍塌並爆炸成超新星。圖\NASA 資料庫

比太陽大 10 倍以上的星體才會變成「黑洞」!這類型的恆星會最終爆炸成為「超新星」,爆炸的過程會把一些星體的質量往外拋出,成為星際物質;同時,還會有往內的壓力,擠壓原本就非常緻密的星核,由此形成黑洞。形成的黑洞質量大約是太陽的數倍到二、三十倍。三十倍太陽質量以上的黑洞,它們成因就比較複雜了,如果環境不對(像是我們的銀河系), 就可能無法成型。

天文學家對大質量黑洞(幾百個太陽質量以上)的成因了解有限,目前沒有一致的定論。最近的一個研究,發現最靠近我們的星體黑洞,距離地球大約有 1,000 光年,質量是 4 個太陽。

一個具有 4 個太陽質量的黑洞,它的直徑比台北的大安區略大;而 70 個太陽質量的黑洞的直徑大約就像台北市那麼大。在浩瀚無垠的宇宙中,這是一個再微小不過的範圍。除非是在我們太陽系附近,不然以目前的儀器,我們無法直接觀測到如此小的星體。

找尋星體黑洞主要靠間接的量測,常見的方法有二:一是觀察黑洞周遭恆星軌道的變動,二是尋找黑洞吸積盤物質因快速摩擦而釋放出的各種電磁波(可見光、紅外光、無線電波、 X 射線等)。

中國團隊宣稱: LB-1 雙星系統有個 70 個太陽質量的黑洞!

這次中國的科學團隊觀測的目標是一個叫做 LB-1 的星體。在視覺上,它在望遠鏡中只看到單一個光點,看不出什麼特別的。但是從它發出的光譜,天文學家判斷該系統是一組雙星系統。兩顆互相環繞的星體,其中之一是顆發出可見光的普通恆星;另一顆伴星似乎沒有訊號。根據 LB-1 光譜的分析,天文學家知道發光的恆星的大致的組成成份,並根據目前的恆星演化理論,了解該星體的物理狀況:像是溫度、大小、年齡等等。至於它的神秘伴星,由於以往的觀測看不到它的訊號,過去一般認為它若不是中子星,就是黑洞。

小知識:對於雙星系統的估測

天文學家有一套估算這種雙星體的旋轉週期、相對質量、軌道形狀的技術。這個技術源自於 17 世紀的克普勒 (Kepler) 先生發現的定律,一直沿用到現在。雖然在視覺上,我們無法直接看到 LB-1 的雙星運動,現代的天文學家還是可以透過量測它的可見光光譜的變動,得知雙星的旋轉週期。
恆星的燃燒靠著是氫原子融合,而一堆火熱的氫原子聚在一起就會發出某些氫原子特有的光。我們知道一顆靜止不動的恆星,這些特定的光會出現在在光譜的固定頻率上。但是如果這顆恆星是繞著另外一顆星體打轉,那麼這些特定的光譜線,就會在原本的固定點,左右變動著。這就是所謂的都普勒光譜效應:當恆星是朝著地球過來,光譜線的頻率就會增加;反之,則是降低。

藝術家所繪天蠍座AR雙星系統示意圖,此雙星系由白矮星和紅矮星組成。By M. Garlick/University of Warwick/ESO – CC BY 4.0

中國團隊就是靠著分析 LB-1 發出的光譜變動,宣稱它的神秘伴星是一顆黑洞,而且其質量高達前所未見的 70 個太陽。

中國團隊的發表中認定,LB-1 是一個距離我們 1  萬 4 千光年的的雙星系統。 它包含一顆 8 個太陽質量的恆星,和一顆 70 個太陽質量的黑洞。 另外,靠近黑洞的周遭圍繞著一環盤狀的氣態雲,這個氣態環跟隨著黑洞,與主星以大約 80 天的週期互相圍繞著。黑洞不會發出訊號,但是靠近它的氣態雲會發光,並且發射出氫原子的特殊譜線,稱為 H-alpha 譜線。透過觀測這條光譜線的頻率變動,科學家們可以推測雙星體的旋轉週期、相對質量、軌道形狀等物理參數。

根據目前的星體演化模型,如此大質量的黑洞不可能在銀河系這般的星系中形成的。這是銀河系中星體的普遍成份,造成大質量的恆星在它們演化末期,跳過了重力崩塌的過程,而將所有物質全部向外炸開,灰飛煙滅。所以也不會有黑洞這塊墓碑留下來。

70 個太陽質量的星體黑洞出現在我們的銀河系中,這個空前的發現如果被證實的話,對已知的天文理論具有革命性的結果。因此,這顆黑洞的質量特別引起世界各地的天文學家的注意。

分析錯了嗎?各國質疑聲浪紛紛出現

該篇《自然》論文發表後,不到十日,天文界出現質疑的聲浪。三篇反駁性的論文,分別來自美國、紐西蘭-英國-澳洲、比利時三地的團隊,一致性的質疑中國團隊的詮釋光譜資料的正確性。並且提出各自的分析方法,從同樣的觀測資料,導出不同的結論。

他們的結論沒有排除 LB-1 的伴星是一顆黑洞的可能。但是如果答案是肯定的話,它應該是一顆「正常」的星體黑洞,質量小於 20 個太陽。美國團隊的文章登上今年 (2020) 一月的英國的皇家天文會月報中。

中國團隊資料處理方式遭受到反駁者的強烈質疑。他們一致的指出中國的團隊在資料分析處理中,除了專注在 H-alpha 放射譜線,應該要考慮源自於主恆星的 H-alpha 吸收譜線。從反對者的數值模擬中,說明了把主恆星的吸收譜線排除後, H-alpha 放射譜線應該是來自於一個靜止的發射源。換句話說, H-alpha 光譜發射線並不可能是從黑洞附近發出的,因此跟黑洞的軌道運動沒有直接的物理關係。它的來源更像是環繞在雙星外圍的雲氣所產生的,所以不會產生都普勒效應。

除了這點以外,反對者的分析也認為 LB-1 主星的質量不會超過 5 個太陽,而且 LB-1 距離太陽約 7 千光年,只有中國團隊認定的一半距離。

比利時團隊新觀測資料:伴星是 Be 型恆星啦!

比利時的團隊更是把這個議題提升了一個層次。就在過去的幾個月,他們利用西班牙的 Mercator 望遠鏡,觀測 LB-1。從該望遠鏡獲得的更清晰、同時也更高解析率的光譜資料。從這些新的觀測資料結果,加上中國團隊的資料,他們提出新的證據顯示 LB-1 的伴星不是一個 70 個 太陽質量的黑洞;這顆伴星甚至不是黑洞,而是一顆在天文學中被稱為 Be 型的恆星。

Be 星是會發射出氫原子光譜線的 B 型恆星,傳統天文學用恆星的光譜來分類星體。 B 星是溫度頗高的藍白色星,在銀河系中並不罕見。天文學家可以從恆星的光譜資料辨認出哪些星體是 Be 星。由於比利時的團隊獲得的新的光譜資料在解析率和訊號品質都比之前精確細微,因此研究團隊能夠從原本以為只是主星的光譜資料中,分辨出隱藏其中的伴星光譜。

赫羅圖以恆星亮度(絕對星等)與恆星顏色作軸,從左邊高溫藍白星到右邊低溫紅星。上方及標示各類恆星的分類,其中 Be 星即為圖中分類 B 的恆星。圖\wikipedia

根據研究團隊的分析,這一顆伴星自轉的速度相當的快,致使觀測到的光譜訊號變得難以辨認;它的光譜又跟主星的光譜混合,讓天文學家以為這個伴星是個不出聲響的緻密星體(黑洞,中子星之類)。

今年 (2020) 四月 29 號 的 《自然》刊登了比利時團隊的研究結果。同一期也刊登了中國團隊對新結果的評論。在評論中,他們表示對新研究的一些分析方法,還是保持著存疑的態度,然而並沒有提出論證反駁 LB-1 新的觀測結論。

在這場論戰中,中國的隊在重新檢視資料後,依舊認為 LB-1 伴星是一個介於 23 – 65 太陽質量的黑洞。這已經是比原先宣稱的質量小了許多。中國團隊倒是同意一點: LB-1 的光譜所代表的訊息,的確是比他們原先設想的更加複雜。

LB-1 的伴星到底是不是黑洞呢?如果中國團隊的結論是正確的,那麼要如何解釋反駁者提出的疑點呢?現代科學研究的過程就是如此。任何的新發現都必須攤在陽光下接受檢視,重複驗證,再三確定,才會產生接近事實的科學成果。

目前看來,比利時團隊的分析方法是相當充分的。他們分析了之前中國團隊和他們新取得的觀測資料,包含了過去 4 年 LB-1 的動力資料。從這些資料產生的結論,並沒有違背目前科學家對雙星系統的理論假設。所以看來,這一顆 70 個太陽質量的黑洞的說法,在經過一連串的小心求證後, 已經離事實越來越遠了,成為一顆失落的黑洞了。

參考資料

  1. Liu, J., Zhang, H., Howard, A.W. et al. A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements. Nature 575, 618–621 (2019).
  2. Kareem El-Badry, Eliot Quataert, Not so fast: LB-1 is unlikely to contain a 70 M⊙ black hole, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 493, Issue 1, March 2020, Pages L22–L27.
  3. Eldridge, J. J., Stanway, E. R., Breivik, K., et al. Weighing in on black hole binaries with BPASS: LB-1 does not contain a 70M⊙ black hole. 2019, arXiv e-prints, arXiv:1912.03599
  4. Abdul-Masih, M., Banyard, G., Bodensteiner, J. et al. On the signature of a 70-solar-mass black hole in LB-1. Nature 580, E11–E15 (2020).
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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首次成功利用微重力透鏡效應幫星星「量」體重!
物理雙月刊_96
・2017/06/12 ・1413字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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星星有多重?長久以來,人類能夠直接量度其質量的恆星,只有我們的太陽。利用克卜勒行星運動第三定律,代入太陽系各行星的平均公轉軌道半徑和週期,即使是物學新手亦能輕鬆算出太陽質量。

那麼其他恆星呢?如果它們有行星系統的話,就可以靠哈勃、克卜勒太空望遠鏡等觀察其公轉軌道,用克卜勒定律算出恆星質量。然而,並非每個恆星都有行星繞其運轉。有一部分恆星是雙星系統,即兩個恆星互相環繞系統的質心轉動。除非能夠準確測量雙星系統軌道平面相對地球方向的角度,否則我們只能計算出系統的總質量,不能得知每個恆星各有多重。

並非每個恆星都有行星繞其運轉。有一部分恆星是雙星系統,即兩個恆星互相環繞系統的質心轉動。除非能夠準確測量雙星系統軌道平面相對地球方向的角度,否則我們只能計算出系統的總質量,不能得知每個恆星各有多重。圖/By User:Zhatt, Public Domain, wikimedia commons

愛因斯坦的廣義相對論說,就算是沒有質量的光線也會被重力吸引。1919 年,愛丁頓遠征非洲觀察日全食,測量了日食時太陽旁來自遙遠恆星的光線,發現恆星的位置偏移了。這是人類史上首次以實驗驗證廣義相對論,透過星光偏折的角度,就計算出時空如何被質量扭曲。

白矮星扭曲了背景恆星的光芒。source:The Verge

扭曲光線這個效應,已經被天文學家利用來觀察遙遠的星系。當光線經過非常重的星系附近,會在其旁邊形成一個環狀的扭曲影像。這個扭曲效果就好像透鏡眾焦一樣,光線來源的影像會被加強和放大。我們叫這個效應做重力透鏡。這個光環叫做「愛因斯坦環」,其大小由造成重力透鏡的質量決定,質量越大效果越明顯。天文學家已經利用重力透鏡效應測量了很多星系的質量。

愛因斯坦環,其大小由造成重力透鏡的質量決定,質量越大效果越明顯。source:The Verge

然而,天文學家從未使用重力透鏡量度恆星的質量。這是因為恆星質量太小,我們稱這個效應做微重力透鏡效應,而且必須非常接近背景星光才能使透鏡效果大到在望遠鏡的探測範圍裡。可是,恆星與背景恆星太接近的話,恆星的光芒又會遮蔽背景星光。

Sahu 和他的研究團隊在 2013 至 2015 年利用哈勃太空望遠鏡觀察了白矮星 Stein 2051B 的微重力透鏡效應。Stein 2051B 是第六位接近地球的白矮星,其移動相對於地球就比背景星空明顯。當它移動到非常接近一個背景恆星時,研究員測量了背景恆星的光線偏折現象,得出 Stein 2051B 的質量為 0.675+/-0.051 太陽質量。

Sahu 團隊對 Stein 2051B 的觀測(此為 Stein 2051B 位於 E1 時的照片)。藍色線表示 Stein 2051B 相對背景恆星(source)的位移。圖/Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf

這是史上首次成功量度恆星質量造成的微重力透鏡效應,而且得出的質量數值與使用恆星演化模型計算出的0.67+/-0.03 太陽質量吻合,因此亦同時驗證了天體物理學家的恆星演化模型正確。

百年之前,星光偏折證實廣義相對論震驚世界,誰會想到在百年後的今天,這個效應仍能創出科研突破?

參考資料:

本文轉載自《物理雙月刊》,《如何用光線幫星星量體重?廣義相對論的實現

物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。