克卜勒太空望远镜 首度观察到重力透镜双星

▲白矮星绕到红巨星后方,造成亮度下降现象。(图/引用自台北天文馆网路天文馆网站))

国际中心综合报导

克卜勒太空望远镜(Kepler space telescope)是搜寻系行星利器利用行星或伴星经过恒星方造成恒星亮度下降的方式来进行搜寻。不过,这次出了个意外,它首度观察的恒星残骸绕到伴星后方而造成的亮度下降现象,此乃第一次将爱因斯坦广义相对论应用在一个双星系统中。

这对双星系编号为KOI-256,位在天龙座方向距离地球约400光年,由一颗红矮星(red dwarf)和一颗白矮星(white dwarf)所组成。红矮星,又称为M型矮星(M dwarf),是表面温度质量都比我们太阳低一些、颜色比我们太阳红的低质量恒星,还处在正常演化的主序星阶段

白矮星,是类似我们太阳质量的恒星演化到生命末期时留下的恒星残骸,体积仅相当于地球大小,质量却与太阳相去不远,因此密度相当大,以KOI-256系统而言,其中的白矮星子星的密度约为红矮星的75,000倍左右。所以,白矮星的体积虽然比红矮星小得多,质量却比红矮星大,使得KOI-256这对双星系统,实际上是红矮星绕著白矮星公转的奇特状况

加州理工学院Phil Muirhead等人会定期检视克卜勒任务释出的公开资料,寻找红矮星周围的系外行星。最初经由克卜勒太空望远镜侦测到KOI-256约每28小时有亮度下降现象,他们认为这是颗木星级行星经过红矮星KOI-256前方而造成的。

仔细分析检视却发现KOI-256的亮度变化,有时非常突然,也就是说,亮度是骤然降低,之后又骤然升回原值,如右上图左侧显示;有时亮度降低的程度,比以凌日行星体积可造成的还少一点(亮一点),如右上图右侧显示(红线代表实测结果蓝线代表理论预测结果)。

为详细研究这个恒星系统,于是动用其他仪器详细观测。首先利用位在帕洛玛天文台(Palomar Observatory)海尔望远镜(Hale Telescope),测量KOI-256的径向速度(radial velocity),结果发现红矮星像个陀螺一样摆动,而且摆动幅度所需重力,比一颗木星级系外行星可以承担的还强1000倍以上。他们因而推测:或许克卜勒太空望远镜侦测到的不是气体巨行星通过恒星前方造成的亮度降低现象,而是一颗质量较大的白矮星绕到红矮星后方的结果。

Muirhead等人也利用星系演化探索卫星(Galaxy Evolution Explorer,GALEX)来研究KOI-256系统在紫外波段活动结果显示这颗红矮星相当活跃,符合绕着质量比较大的白矮星打转的状况。

Muirhead等人于是回头重新检视克卜勒资料,结果惊讶地发现:当白矮星绕到红矮星前方时,它的重力让红矮星的星光偏折并变亮的效应,居然大到可以让克卜勒太空望远镜测量得到,也就是所谓的「重力透镜(gravitational lensing)」现象。虽然这一方面显示克卜勒太空望远镜的侦测能力有多优秀,但另一方面也显示爱因斯坦广义相对论在一般恒星系统中也有着举足轻重的地位

重力透镜可使遥远星系的星光经过前方星系团偏折并变亮,天文学家可借以研究宇宙中神秘的暗物质和暗能量。天文学家也借由重力透镜方式来发现新的系外行星,或是猎取不环绕恒星公转的独立行星(free-floating planet)。

在这个克卜勒研究中,这些天文学家则利用重力透镜效应来估算白矮星质量;且将之与其他资料综合后,天文学家甚至可藉之计算出红矮星的质量,以及这两颗恒星的半径大小。在克卜勒与爱因斯坦相遇的这一刻,天文学家终能进一步了解双星系统如何演化。(图、文/引用自台北天文馆之网路天文馆网站)