爱因斯坦曾经认为不可能的事情，天文学家刚刚做到了

2017-06-12 Zwicky 中科院物理所

这是第一次，天文学家在太阳系之外，观测到一颗恒星弯曲了来自另一颗遥远恒星（称之为“背景恒星”）发出的星光，使背景恒星看起来好像在太空中改变了位置。这是一个了不起的发现，甚至连爱因斯坦都认为这种现象不可能被观测到。现在，天文学家证明了爱因斯坦是错的（但也是对的）。

在爱因斯坦发表他的广义相对论后，他就预言了微引力透镜效应。从名字或许可以猜出其大意：引力会表现的像透镜一样。根据广义相对论，大质量物体——比如恒星和黑洞——会弯曲它们周围的时空。弯曲的时空可以表现的跟放大镜一样，改变经过的光线的路径。因此，从地球的视线望去，当一颗遥远的背景恒星正好处于另一颗前景恒星（充当“透镜”）的背后时，微引力透镜就会发生。前景恒星的引力会弯曲来自背景恒星的星光，使它看起来更亮，并且稍微被扭曲。

△ 1919年的日全食，当太阳被月亮遮住的时候，天文学家测量了紧邻太阳的背景恒星的位置，并且将其结果与恒星在夜空中的位置相比较。结果完美的验证了广义相对论的预言，遥远的星光经过太阳的时候的确会被偏折。（图片来源：F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON, C. DAVIDSON）

但是，发生微引力透镜就要求恒星之间的距离非常遥远，以至于爱因斯坦于1936年在《科学》期刊的一篇文章上表示“并没有什么希望能够直接观测到该现象。” 但今天的望远镜技术跟爱因斯坦身处的时代相比要强大的多，这使我们有机会能够看到他曾经认为不可能的（直接探测到引力波的存在也是爱因斯坦的当年无法预料到的）。

2014年，一群天文学家利用哈勃太空望远镜发现了一个罕见类型的微引力透镜——一颗致密的白矮星经过了离它数千光年远的另一颗背景恒星。这两颗恒星并没有完美的对齐，但靠的足够近。从下图我们可以看到，当白矮星经过背景恒星，看起来就好像是白矮星将背景恒星推开一样，使背景恒星的运动轨迹呈环状。当然，这不是真实发生的，只是看起来是这样的。

△ 该图描绘了白矮星是如何弯曲背景恒星发出的光线的。（图片来源：The Verge）

同时，天文学家利用了背景恒星的位置变化测量了白矮星的质量，研究结果发表于6月7日《科学》期刊。论文的首作者 Kailash Sahu 表示他们的发现打开了一个新的领域，过去没有人尝试过这么做，这是一个新的技术。同样发表在《科学》期刊的另一篇相关文章《来自爱因斯坦的百年礼物》中，作者 Terry Oswalt 表示此次的发现能够更好的帮助我们理解“星系的历史和演化”。

事实上，爱因斯坦预言如果两颗恒星完美的对齐，那么背景恒星看起来就像是围绕着前景恒星的明亮的环，这被称为爱因斯坦环。Sahu团队发现，由于两颗恒星之间并没有完美的对齐，因此产生的是一个不对称的爱因斯坦环。Oswalt表示：“该环和它的亮度变化都太小了，难以测量，但是不对称导致遥远恒星看起来偏离了它真实位置的中心。爱因斯坦这部分的预言被称为‘天体测量的透镜’，Sahu的团队是第一个在除了太阳以外的恒星上看到这个现象。”

△ 爱因斯坦环。（图片来源：The Verge）

Sahu的团队并不是巧合或者运气观测到该事件，而是经历了多年的寻找，他们确认了在夜空中移动的5000颗恒星。如果这些恒星在空间中的移动比较明显，那么经过一颗背景恒星的机会就会比较高。

最后，Sahu的团队锁定了三颗有可能造成微引力透镜事件的恒星。其中一颗是位于距地球18光年外的白矮星，称为Stein 2051B。白矮星是恒星演化末期的归宿之一，当低质量恒星耗尽燃料时，它们会肿胀成一颗红巨星，在核心的氦气会聚变为碳和氧。最终，它们会抛去外层气体，只剩下一颗碳-氧核心。在银河系中，大约97%的恒星（包括太阳）最终会成为白矮星。

白矮星非常致密，它之所以不继续坍缩成为黑洞是因为电子的简并压力会抵抗引力。这就意味着它们的大小和质量存在着上限。白矮星的质量和半径间的关系是由诺贝尔得主钱德拉塞卡给出的，但很难被证明。

△ 白矮星会弯曲周围的时空，并弯曲来自背景恒星的星光。实线为恒星真实的位置，虚线为观测到的恒星位置。（图片来源：NASA，ESA and A.Field）

过去，天文学家试图估算Stein 2051B的质量，但他们认为该白矮星的质量太低，使它变得像异类般的存在，除非它拥有奇异般的成分以及一个铁核才能够解释。然而，微引力透镜却描绘了一幅不一样的图景：Stein 2051B的质量看起来相当正常。

通过测量背景恒星的位置变化提供了一种直接测量白矮星质量的方法，这种方法测量的质量要比其它技术精确的多。天文学家预计在2014年3月的时候，Stein 2051B会经过一颗背景恒星。Sahu的团队在2013年10月和2015年10月之间对两颗恒星的位置进行了八次观测。由于背景恒星位置的偏折跟白矮星的质量和引力有着直接的关联，他们最终得出该白矮星的质量为0.675倍的太阳质量，在正常的质量范围区间。

△ 天文学家利用哈勃望远镜对白矮星进行观测，当它经过背景恒星时，会偏折星光。通过测量偏折的程度可以测量白矮星的质量。（图片来源：NASA, ESA, and K. Sahu）

Oswalt表示，对于天文学家而言，此次的发现有三个重要的意义：

该研究解决了天文学家对Stein 2051B的质量和成分长久以来的困惑；
Sahu的团队漂亮地验证了钱德拉塞卡的质量-半径的关系。我们现在知道Stein 2051B是完全正常的，它并不是过去一直认为的一颗具有奇异成分的大质量的白矮星。
这个测量天体质量的新方法非常有价值。下一代的望远镜将会追踪成千上亿颗恒星的位置，将会更频繁的观测到此类“罕见”的事件。

相对而言，爱因斯坦定会为此感到骄傲。

参考来源：

【1】K.C. Sahu el al., "Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aal2879

【2】"A centennial gift from Einstein," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aan2996

【3】https://www.theverge.com/2017/6/7/15741176/gravitational-microlensing-white-dwarf-star-albert-einstein-relativity

【4】https://phys.org/news/2017-06-einstein-theory-relativity.html

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编辑：yangfz

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