開普勒衛星見證“引力透鏡”的奇觀

開普勒太空望遠鏡的主要目標是搜索環繞遙遠恆星周圍轉動的行星天體,它有時在探測的過程中發現了極端性的相對論物理現象。在開普勒衛星探測紅矮星KOI—256的情形中,天文學家發現,在開普勒衛星接收的數據中出現一種光度下降的現象,NASA管控的開普勒望遠鏡收集了光度改變的數據,天文學家以此判斷是否存在系外行星,光變數據具有某種指示器的功能,當不發光的行星從主恆星的前方經過時,它擋住了一部份恆星的光線,恆星的光線會變得黯淡一點;當不發光的行星轉到主恆星的背面時,從開普勒觀測的角度看上去,行星沒有擋住恆星的光線,恆星的光線會變得明亮一點。

天文學家將行星從主恆星的前方經過的事件稱為“過境”,或“經過”,開普勒太空望遠鏡達到了前所未有的靈敏性,它可以捕捉微小變化的光度信號。當開普勒觀測失去了核聚變動力的紅矮星KOI—256時,它發現了行星“過境”的信號。加州理工大學的科學家菲爾·繆爾海德領導了一個科學小組,他們找到了行星“經過”的痕跡,而這是一個大質量的星體,它的“過境”有一些特別的性質,科學家經過多次檢測之後得出了結論,這個“經過”的奇異星體是一顆白矮星,它屬於恆星的家族,科學家獲得意外收穫,他們原以為搜索到一顆行星,卻發現了一個由兩顆恆星組成的“紅白雙星”。

開普勒衛星見證“引力透鏡”的奇觀

繆爾海德解釋說,“我們觀測到一顆恆星的光度出現劇烈下降的現象,我們剛開始時以為這是一顆巨型的、體積相當於木星的行星從恆星KOI—256的前方經過”。 科學團隊的成員進一步使用了地基觀測的加州帕洛馬天文臺的望遠鏡,他們應用了行星搜索的另一種項技術:“徑向速度”搜索法,這種技術的原理在於:當行星從主恆星的前方和後方經過時,儀器能夠仔細分析恆星KOI—256的光譜線,如果存在一顆在軌的行星,那麼這顆行星將對它的主恆星施加一種拉動的引力,拖動作用造成主恆星的輕微擺動,當微小的擺動靠近觀測者時,這種擺動效應將產生光譜的藍移;當微小的擺動離開觀測者時,這種擺動將產生光譜的紅移,如果存在藍移和紅移的交替擺動,他們基本可以斷定行星的存在。

科學團隊用“徑向速度”的方法觀測了恆星KOI—256,他們發現了不同尋常的現象,可以斷定它不是一顆系外行星,而是一顆像陀螺般快速旋轉的恆星,它是一顆質量更大的緊湊型白矮星,紅白矮星和它的主恆星組成了一對雙星,它是燒燬的恆星留下的軀殼。我們銀河系的大多數恆星都以雙星系的形態出現,兩顆恆星擁有緊密的距離,它們的“相伴相隨”是一種常見的景象。

開普勒衛星見證“引力透鏡”的奇觀

NASA的另一個太空天文臺——星系演化探索者(GALEX)為繆爾海德的科學團隊提供了很大幫助,探索器能夠分析恆星的紫外線光譜,研究人員仔細分析了光度變化的過程,當白矮星從紅矮星的後面經過時,從開普勒衛星的觀測角度看上去,紅矮星的亮度會下降;當白矮星從紅矮星的前面經過時,紅矮星的亮度比期待的亮度值更大,這與人們正常的直覺不符,在直覺的背後存在更為深刻的原因。

愛因斯坦的“引力透鏡”原理解釋了紅矮星亮度增大的原因,當白矮星在紅矮星的前方經過時,白矮星極強的引力場引起了周圍時空的彎曲,從紅矮星發出的光線在經過彎曲的時空場時產生了聚焦效應,當經過聚焦的光線抵達“太空觀測者”時,它的光線看起來會更亮一些;當白矮星從紅矮星的後方經過時,從紅矮星發出的光線失去了彎曲時空場的聚焦、或增強效應,紅矮星的光線看起來會暗淡一些。4月20日,《天體物理學》雜誌發表了繆爾海德科學團隊的成果。

開普勒衛星見證“引力透鏡”的奇觀

在NASA的華盛頓總部開普勒項目開展項目研究的的科學家道格·哈金斯認為,開普勒觀測了主恆星光度微小的變化,然而,他們獲得了一個伴隨性的發現,他們見證了愛因斯坦的廣義相對論在一顆遙遠的恆星系所產生的作用,人們將這種相對論效應稱之為“微引力透鏡原理”,這一原理被應用於行星的探索活動,科學家用“透鏡原理”發現了白矮星,這在天文學史上還是第一次,通過分析一個雙星系中質量比白矮星更低的紅矮星的光度變化,科學家意外地發現了一顆白矮星。

對微引力透鏡原理的應用不限於對個別星體的發現,科學家在宇宙深場記錄了大尺度空間的“引力透鏡”現象,哈勃太空望遠鏡在大質量的星系群觀測到了“光弧圈”現象,當遙遠的光線經過星系群的大引力場時,它們會沿著時空彎曲的軌跡運動,古老星系的光線常常來自遙遠星系群、星系團的背面,經過彎曲時空的“聚焦效應”,它們的光度被放大了。使光度增強的“引力透鏡”原理以自然的方式發生。在發現紅矮星KOI—256的白矮星伴星之後,科學家似乎在冥冥之中見證了科學巨匠愛因斯坦與開普勒項目科學家的“牽手”,他們和“世紀科學家”愛因斯坦展開了有關時空彎曲的“對話”,“引力透鏡”成為搜索系外行星和恆星的有效工具。

開普勒衛星見證“引力透鏡”的奇觀





(編譯:2013-4-10)


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