哈勃太空望远镜首次直接测量了一颗孤立白矮星的质量
天文学家利用NASA的哈勃太空望远镜首次直接测量了一颗孤立白矮星的质量，白矮星是一颗燃烧殆尽的类太阳恒星的残留核心。
研究人员发现，白矮星的质量是太阳质量的56%。这与先前对白矮星质量的理论预测一致，并证实了目前关于白矮星如何演化为典型恒星演化最终产物的理论。这一独特的观测为白矮星的结构和组成理论提供了新的见解。
这幅艺术家的插图展示了前景白矮星的引力如何扭曲空间，并使其背后遥远恒星的光线发生弯曲。天文学家使用NASA的哈勃太空望远镜首次直接测量了一颗孤立的白矮星（一颗燃烧殆尽的类太阳恒星的残留核心）的质量，这要归功于大自然的光学技巧。背景恒星图像暂时微小的偏移越大，前景恒星的质量就越大。（这种偏移非常小，相当于在1500英里外观察一只蚂蚁爬过25分硬币的表面。）研究人员发现，这颗白矮星的质量是我们太阳的56%。一个世纪前，爱因斯坦的广义相对论预言了这种被称为引力透镜的效应。1919年的日食观测为广义相对论提供了第一个实验证据。但是爱因斯坦认为同样的实验不能在太阳以外的恒星上进行，因为这需要非常高的精确度。
影像来源：NASA, ESA, Ann Feild (STScI)
到目前为止，以前的白矮星质量测量都是通过观测双星系统中的白矮星来获得。通过观测两颗共轨恒星的运动，简单的牛顿物理学可以用来测量它们的质量。然而，如果白矮星的伴星处于数百年或数千年的长周期轨道上，这些测量结果可能不确定。轨道运动只能通过望远镜在白矮星轨道运动的一小段时间内进行测量。
对于这颗没有伴星的白矮星，研究人员不得不采用一种自然的技巧，称为引力微透镜。来自背景恒星的光由于前景白矮星对空间的引力扭曲而略微偏移。当白矮星从背景恒星前面经过时，微透镜效应导致恒星暂时偏离了它在天空中的实际位置。
研究结果发表在《皇家天文学会月报》上。该研究的主要作者是彼得·麦吉尔，他曾就职于剑桥大学（现任职于加州大学圣克鲁兹分校）。
麦吉尔利用哈勃望远镜精确测量了来自一颗遥远恒星的光线如何围绕着白矮星LAWD37扭曲，从而导致背景恒星暂时改变其在天空中的视位。
马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的凯拉什·萨胡是这项最新观测的首席哈勃研究员，他在2017年首次使用微透镜测量了另一颗白矮星Stein 2051 B的质量，但这颗白矮星位于一个距离很远的双星系统中。“我们最新的观测提供了一个新的基准，因为LAWD 37本身就是一个基准。”萨胡说。
LAWD 37是一颗10亿年前燃烧殆尽的恒星的坍塌残骸，它被广泛研究，因为它距离苍蝇座只有15光年。麦吉尔说:“因为这颗白矮星离我们相对较近，我们已经获取了很多关于它的数据——我们有关于它的光谱的信息，但拼图中缺少的一块是对它质量的测量。”
多亏了欧空局的盖亚太空天文台，该团队将目标锁定在白矮星上，该天文台对近20亿颗恒星的位置进行了异常精确的测量。多次盖亚观测可以用来追踪恒星的运动。根据这些数据，天文学家能够预测LAWD 37将在2019年11月短暂地从一颗背景恒星前面经过。
一旦知道了这一点，哈勃望远镜被用来精确测量背景恒星在天空中的视位是如何在白矮星经过期间暂时偏转。
“这些事件很罕见，影响也很小。”麦吉尔说。“例如，我们测量的偏移量的大小就像从地球上测量一辆汽车在月球上的长度。”
由于背景恒星发出的光非常微弱，天文学家面临的主要挑战是从白矮星的强光中提取出它的图像，白矮星的亮度是背景恒星的400倍。只有哈勃望远镜才能在可见光下进行这种高对比度的观测。
“LAWD37质量测量的精度使我们能够测试白矮星的质量-半径关系。”麦吉尔说。“这意味着在这颗死恒星内部的极端条件下，测试退化物质（一种在重力作用下被超压缩的气体，其行为更像固体物质）的理论。”他补充道。
这张图展示了如何使用微透镜来测量白矮星的质量。这颗名为LAWD 37的矮星位于哈勃太空望远镜图像的中心，是一颗燃烧殆尽的恒星。虽然它的核聚变炉已经关闭，但在18万华氏度的温度下，被困住的热量仍在表面滋滋作响，导致恒星残骸发出强烈的光芒。插图框描绘了这颗矮星在2019年是如何从一颗背景恒星前经过。蓝色波浪线描绘了从地球上看到的这颗矮行星在天空中的运动轨迹。虽然这颗白矮星是沿着直线轨道运行，但地球绕太阳的轨道运动由于视差而产生了明显的正弦偏移。（这颗恒星距离我们只有15光年。因此，它在恒星背景下以更快的速度移动。)当它经过较暗的背景恒星时，白矮星的引力场扭曲了空间（正如爱因斯坦广义相对论在一个世纪前预测的那样）。哈勃非凡的分辨率精确地测量了这种偏移。偏移的量使我们能够测量这颗白矮星的质量，其质量达到太阳质量的56%，并为白矮星的结构和组成理论提供了见解。这是天文学家第一次直接测量到一颗孤立的白矮星的质量，这要归功于大自然的“哈哈镜”。
影像来源：NASA, ESA, Peter McGill (UC Santa Cruz, IoA), Kailash Sahu (STScI); 影像处理：Joseph DePasquale (STScI)
研究人员表示，他们的研究结果为利用盖亚数据预测未来事件打开了大门。除了哈勃望远镜之外，现在还可以用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到这些排列。因为韦伯在红外波长下工作，前景白矮星的蓝光在红外光中看起来更暗，背景恒星看起来更亮。
基于盖亚的预测能力，萨胡正在用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜观测另一颗白矮星LAWD 66。首次观测在2022年完成。随着偏移在2024年达到峰值，然后下降，届时将进行更多观测。
“盖亚确实改变了游戏规则——能够使用盖亚的数据来预测事件何时发生，然后观测它们的发生，这令人兴奋。”麦吉尔说。“我们希望继续测量引力微透镜效应，并获得更多类型恒星的质量测量。”
在1915年的广义相对论中，爱因斯坦预测，当一个巨大的致密物体从背景恒星前面经过时，恒星发出的光会由于引力场对空间的扭曲而在前景物体周围弯曲。
就在哈勃望远镜最近观测到这一现象的一个世纪之前，1919年，两支由英国人组织的南半球探险队在5月19日的一次日食中首次探测到这种透镜效应。它被誉为广义相对论的第一个实验证明——引力会扭曲空间。然而，由于涉及精度问题，爱因斯坦对在太阳系外的恒星中探测到这种效应持悲观态度。麦吉尔说：“我们的测量结果比1919年日食测量结果的影响小625倍。”
哈勃太空望远镜是NASA和欧洲航天局的一个国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。