Mission Impossible?

繼LIGO成功探測重力波後，天文學家再一次實現愛因斯坦的驚人預測。於本年六月初由美國、英國和加拿大組成的科學團隊，成功完成愛因斯坦所說的「不可能」實驗。

早於1936年愛因斯坦已提出巨大的質量(例如太陽和其他恆星)會影響光的路線，甚至使經過的光線扭曲、伸展成一個光圈(Einstein ring)，此現象稱之為「重力透鏡」(Gravitational Lensing)。 根據他提出的廣義相對論，透過量度光扭曲的程度就可以計算出該恆星的質量。然而礙於實驗的難度和20世紀科技的不足，愛因斯坦認為這是一個「不可能」的實驗。

圖一白矮星影響了光的路徑

近一世紀後我們終於有充足的設備一睹這個現象。在2014年的三月天文學家成功透過哈勃太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 觀察到光被一顆白矮星扭曲，經過幾年的研究終於計算出該白矮星的質量，並於本年六月初發表研究成果，為愛因斯坦革命性的理論提出重要的實證。究竟他們是如何做到的呢？

首先要觀察上述的現象，我們需要兩顆星和我們的視線對準成一直線，但這個情況是極之罕有的。因此天文學家進行了大規模的星空搜尋，分析了近5000顆恆星的路徑。最終他們發現顆離地球約18光年的白矮星Stein 2051 B，觀察到它的的軌道和一顆距離更遠的「背景恆星」 (background star) 相近，並且預測到白矮星Stein 2051B 將會在2014年3月運行到背景恆星 的正前方。

可是現實總是不完美的。白矮星Stein 2051B 和光源沒有完美地成一直線，天文學家只能看到一個殘缺的愛因斯坦環，其餘的部份因為太暗而未能看到。但是光線的扭曲令我們覺得這顆離地球5000光年的背景恆星正在移動一般，就像我們覺得在水中的筷子似乎折斷了一樣，只是我們的錯覺。

白矮星Stein 2051B 巨大的質量令背景恆星彷彿在移動一樣，稱之為「視運動」。

真正的挑戰現在才開始。根據天文學家的計算，這顆光源星只會移動若干毫角秒  (1 角秒相當於1/3600 角度) ，這個數字實在太小了。在愛因斯坦的年代要量度如此細微的移動的確是「mission impossible」，但是現今最先進的「哈勃太空望遠鏡」就做得到了。

有了世界最頂尖的儀器輔助，天文學家成功量度光源細微的移動。他們根據近一世紀前的理論作出計算，發現白矮星Stein 2051 B 的質量大約相當於三分之二個太陽，與它的大小、溫度和光譜都非常吻合，因此天文學家都認為這是一個可信的結果。

除了為「廣義相對論」提供實證，這次實驗對於天文學家而言有更深的意義。有了這項研究，科學家就能夠計算出任何一顆白矮星的質量，反映出它的結構和成份。白矮星可謂宇宙中的化石，大部份恆星(包括太陽)在燃料耗盡之後都會演化成白矮星。可是我們對於恆星的一生還有很多疑問，這些「化石」或許能告訴我們更多......

參考資料﹕

Clery, D.(2017).Astronomers measure the mass of a star-thanks to an old tip from Einstein.American Association for the Advancement of Science.

Oswalt, T.D.(2017).A centennial gift from Einstein.American Association for the Advancement of Science.Volume 356, Issue 6342 1015

Sahu, K.C. etal,.(2017).Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star.American Association for the Advancement of Science.Volume 356, Issue 6342. 1046-1050

Sahu, K.C.(2017, 7 June).Hubble Astronomers Develop a New Use for a Century-Old Relativity Experiment to Measure a White Dwarf’s Mass.Hubblesite.Retrieved from http://hubblesite.org/news_release/news/2017-25

暑期實習生
譚智健