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爱因斯坦眼中“不可能”的试验终获成功
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  • 发布时间:2017.06.09
导语:爱因斯坦曾预测了恒星等天体会使其它天体的光线发生弯曲位移(引力透镜效应),但同时称几乎“不可能”真的观测到这种现象。如今,天文学家利用哈勃太空望远镜观测到了这一现象,并成功测定了一颗恒星的质量。
 
爱因斯坦眼中“不可能”的试验终获成功
这张哈勃望远镜拍摄的图像中显示的是爱因斯坦环,即星系对另一遥远星系的光线弯曲、放大之后形成的景象。爱因斯坦的广义相对论中对它进行了预测。如今,天文学家们利用哈勃望远镜观测到了一颗恒星的光线被另一恒星弯曲,而这种试验曾被爱因斯坦认为不可能实现。
供图:NASA, ESA
 
撰文:Nadia Drake
 
  哈勃太空望远镜证明爱因斯坦说错了,起码证明他当年没必要那么悲观。
 
  最近,哈勃望远镜发现, 18光年外的一颗死亡恒星使一颗更遥远的恒星发出的光线产生了弯曲。爱因斯坦当年预测,根据他的广义相对论,这一现象可能发生,但他之后生成,科学家们“没有希望”真正看到。
 
  当然,他写下这个论调的时候,距离人类向环地球轨道发射重量级观测设备的时间要早上大约60年。
 
  如今,哈勃太空望远镜已经成功观测到了这一景象,天文学家们也能够解读弯曲的光线所携带的线索,能够计算出死亡恒星Stein 2051B的质量,且计算结果与一个世纪之前做出的预测完美匹配。
 
  “多年来我一直在思索这个问题。之前我们不确定我们能否成功,但是绝对值得一试。”美国太空望远镜科学研究所的Kailash Sahu说道。他作为第一作者撰写的这篇论文刚刚发表在了《Science》上。
 
爱因斯坦认为不可能的事
 
  这种恒星交错的效应,又名引力透镜效应。科学家们此前利用离我们最近的恒星太阳已经观测到此类现象。最值得注意的是,1919年那次日全食期间,亚瑟•爱丁顿(Arthur Eddington)测量了变黑的太阳边缘附近的一些恒星的位置。他发现,太阳的引力会扭曲遥远恒星的光线,证实爱因斯坦在相对论方面确实有所发现。
 
  之后,天文学家们使用类似的方法探测到了地外行星及暗物质团块,它们都会使来自背景天体的光线产生弯曲。此外,天文学家还利用整个星系团作为透镜,观测遥远恒星的一次次爆炸。
 
爱因斯坦眼中“不可能”的试验终获成功
从这张插图可以看出,一颗白矮星的引力扭曲了时空并使其后方遥远恒星的光线发生弯曲。
供图:NASA, ESA
 
  但是,迄今为止,没有任何人看到过小恒星正在弯曲另一颗恒星光线的过程。1936年,爱因斯坦在《Science》上也发表了一篇论文,描述了这一场景,并且称观测这一过程近乎不可能。
  
  结果,爱因斯坦只是因为某位朋友建议他去投稿,于是他才发表了这篇论文。他写道:“前不久,R. W. Mandl来看我,并请我发表我此前应他要求进行的一个小计算的结果。这篇文章遵从了他的愿望。”
 
宇宙中的萤火虫
 
  为了找到恰当的恒星排列,Sahu及其团队从大约5000颗恒星中寻找可以作为透镜的恒星,然后他们发现了Stein 2051B。这个天体是一颗白矮星,在恒星阶段曾与太阳相仿。
 
  下一阶段的难度更大。找到两颗偶然排列在一起的恒星是一回事,真正能够观测到它们是另一回事。正如Sahu所说,恒星在天空中的移动量其实小得让人捉急。
 
  Sahu打了个比方:“想象一下,一只萤火虫从美国25美分硬币(直径约2.4厘米)的两边来回移动。你得从2400千米之外检测到这么小的运动。第二,萤火虫旁边还有一个明亮的电灯泡(白矮星)。你必须得在电灯泡的炫光之下检测到萤火虫的微小运动。”
 
  于是,他申请使用人类目前最敏锐的眼睛:哈勃太空望远镜。经批准后,他在2013年10月至2015年10月期间,用哈勃望远镜8次对准了这对星空中的一对恒星。
 
  果然,白矮星Stein 2051B的引力使那只宇宙“萤火虫”发出的光线产生了弯曲和位移。根据偏移的光线,研究团队计算出了白矮星的质量:Stein 2051B质量约为太阳的68%,直径约为其1%。该计算结果与苏布拉马尼扬•钱德拉塞卡1930年描述的恒星核心里原子间的量子力学交互作用完全相符。
 
  Sahu说:“他的理论预测了白矮星的半径会随着质量增加而减少,我们的质量测定恰恰印证了这个理论。”
 
  “意不意外?某种程度上说,肯定意外。因为多数时间里,测定结果并不能完全印证预测。不过,能知晓我们迄今一直使用的理论是正确的,就很不错了。”
 
  哈勃太空望远镜的观测结果还表明,与之前的猜测相反,白矮星Stein 2051B并没有铁质内核,这表明这颗恒星与宇宙一样古老,甚至比宇宙更古老。换言之,这颗小白矮星是最普通、最无趣的一颗死星,但科学家们却激动异常。
 
  Sahu及其同仁在取得了这项技术之后,希望使用欧洲航空局的盖亚卫星,或者使用美国宇航局即将发射的詹姆斯•韦伯太空望远镜来测定其它恒星的质量。
 
  美国安柏瑞德航空航天大学的Terry Oswalt在一份声明中说:“爱因斯坦也将感到自豪。他的一项关键预测已经通过了极为严苛的观测检验。”
 
  (译者:mikegao)
 
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