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Feb. 03 2023

哈伯首次直接測量孤立白矮星的質量

  • 顯示前景白矮星的重力如何扭曲空間並彎曲來自其後方遙遠恆星的光線。圖片來源:NASA、ESA、A. Feild

    顯示前景白矮星的重力如何扭曲空間並彎曲來自其後方遙遠恆星的光線。圖片來源:NASA、ESA、A. Feild

  • 白矮星在2019年從背景恆星前經過。藍色波浪:從地球上看白矮星在天空中的視運動。雖然白矮星沿直線軌跡運動,但由於視差,地球繞太陽運行時會產生明顯的正弦偏移。圖片來源:NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and Univ. of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

    白矮星在2019年從背景恆星前經過。藍色波浪:從地球上看白矮星在天空中的視運動。雖然白矮星沿直線軌跡運動,但由於視差,地球繞太陽運行時會產生明顯的正弦偏移。圖片來源:NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and Univ. of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

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以往白矮星質量的測量是透過觀察雙星系統中白矮星與其伴星的軌道運動,用牛頓物理學來測量質量。但若白矮星的伴星處於數百年或數千年的長周期軌道上,望遠鏡僅能測得其軌道運動的一小部分,將使得測量的結果有所誤差。

此次英國劍橋大學研究團隊使用哈伯望遠鏡首次直接測量了一顆孤立白矮星的質量,利用重力微透鏡看到了來自背景恆星發出的光,因前景白矮星的重力扭曲而略微偏轉,導致恆星看起來暫時偏離了它在天空中的實際位置。研究人員發現這顆白矮星的質量是太陽質量的56%,這與早期對其質量的理論預測一致,並證實了目前關於白矮星如何作為恆星演化最終狀態的理論,此觀測結果將讓我們對白矮星的結構和組成理論有深入的了解。

顯示前景白矮星的重力如何扭曲空間並彎曲來自其後方遙遠恆星的光線。圖片來源:NASA、ESA、A. Feild

顯示前景白矮星的重力如何扭曲空間並彎曲來自其後方遙遠恆星的光線。圖片來源:NASA、ESA、A. Feild

這顆白矮星名為LAWD 37,位於蒼蠅座,是一顆10億年前燃燒殆盡的恆星坍塌殘骸,因其距離地球僅15光年,離我們比較近因此被廣泛研究,我們有很多關於它的數據和光譜訊息,但缺少的部分正是它的質量測量。而研究團隊之所以能夠鎖定這顆白矮星,歸功於ESA的蓋亞任務,該任務對近20億顆恆星的位置進行了極其精確的測量。根據多次蓋亞觀測追蹤此恆星的運動,使得天文學家得以預測LAWD 37在2019年11月將短暫地從一顆背景恆星前經過。一旦知道這點,哈伯便可在這幾年內精確測量當白矮星經過的這段期間,背景恆星在天空中的位置是如何暫時偏轉的。而這個偏移量相當的小,其大小就如同我們從地球看月球上汽車的長度般。

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由於背景恆星發出的光非常微弱,而白矮星比背景恆星亮400倍,只有哈伯望遠鏡才能在可見光下進行這種高對比度的觀測。但實際上要進行這些測量仍然非常困難,白矮星的強光會導致不可預測方向的條紋,這表示必須非常仔細地分析哈伯的每一個觀測結果及其局限性。研究人員表示LAWD 37質量測量的精確度使我們能夠測試白矮星的質量-半徑關係,而這意味著能在這顆死星內部的極端條件下測試簡併物質(一種在重力作用下超級壓縮的氣體,但它的行為更像固體物質)理論。接下來還可以使用韋伯望遠鏡來檢測,在韋伯紅外波長下前景白矮星的藍色光芒看起來將更黯淡,而背景恆星看起來則更明亮。

白矮星在2019年從背景恆星前經過。藍色波浪:從地球上看白矮星在天空中的視運動。雖然白矮星沿直線軌跡運動,但由於視差,地球繞太陽運行時會產生明顯的正弦偏移。圖片來源:NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and Univ. of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

白矮星在2019年從背景恆星前經過。藍色波浪:從地球上看白矮星在天空中的視運動。雖然白矮星沿直線軌跡運動,但由於視差,地球繞太陽運行時會產生明顯的正弦偏移。圖片來源:NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and Univ. of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

蓋亞任務改變了遊戲規則,這次的結果為蓋亞數據預測未來事件打開了大門,使用蓋亞數據預測事件何時發生,然後觀察它們的發生。希望繼續測量重力微透鏡效應,並獲得更多類型恆星的質量測量。相關研究成果將發表於《皇家天文學會月報》(Royal Astronomical Society)期刊上。

 

資料來源:ESA

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

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