克卜勒太空望遠鏡　首度觀察到重力透鏡雙星

2013/4/9   (6434)   原稿來源: http://www.ettoday.net/news/20

克卜勒太空望遠鏡(Kepler space telescope)是搜尋系外行星的利器，利用行星或伴星經過恆星方造成恆星亮度下降的方式來進行搜尋。不過，這次出了個意外，它首度觀察的恆星殘骸繞到伴星後方而造成的亮度下降現象，此乃第一次將愛因斯坦廣義相對論應用在一個雙星系統中。





這對雙星系統編號為KOI-256，位在天龍座方向，距離地球約400光年，由一顆紅矮星(red dwarf)和一顆白矮星(white dwarf)所組成。紅矮星，又稱為M型矮星(M dwarf)，是表面溫度和質量都比我們太陽低一些、顏色比我們太陽紅的低質量恆星，還處在正常演化的主序星階段。

白矮星，是類似我們太陽質量的恆星演化到生命末期時留下的恆星殘骸，體積僅相當於地球大小，質量卻與太陽相去不遠，因此密度相當大，以KOI-256系統而言，其中的白矮星子星的密度約為紅矮星的75,000倍左右。所以，白矮星的體積雖然比紅矮星小得多，質量卻比紅矮星大，使得KOI-256這對雙星系統，實際上是紅矮星繞著白矮星公轉的奇特狀況。

加州理工學院Phil Muirhead等人會定期檢視克卜勒任務釋出的公開資料，尋找紅矮星周圍的系外行星。最初經由克卜勒太空望遠鏡偵測到KOI-256約每28小時有亮度下降現象，他們認為這是顆木星級行星經過紅矮星KOI-256前方而造成的。



但仔細分析檢視卻發現KOI-256的亮度變化，有時非常突然，也就是說，亮度是驟然降低，之後又驟然升回原值，如右上圖左側顯示；有時亮度降低的程度，比以凌日行星體積可造成的還少一點(亮一點)，如右上圖右側顯示(紅線代表實測結果，藍線代表理論預測結果)。

為詳細研究這個恆星系統，於是動用其他儀器詳細觀測。首先利用位在帕洛瑪天文臺(Palomar Observatory)海爾望遠鏡(Hale Telescope)，測量KOI-256的徑向速度(radial velocity)，結果發現紅矮星像個陀螺一樣擺動，而且擺動幅度所需的重力，比一顆木星級系外行星可以承擔的還強1000倍以上。他們因而推測：或許克卜勒太空望遠鏡偵測到的不是氣體巨行星通過恆星前方造成的亮度降低現象，而是一顆質量較大的白矮星繞到紅矮星後方的結果。

Muirhead等人也利用星系演化探索衛星(Galaxy Evolution Explorer，GALEX)來研究KOI-256系統在紫外波段的活動，結果顯示這顆紅矮星相當活躍，符合繞著質量比較大的白矮星打轉的狀況。

Muirhead等人於是回頭重新檢視克卜勒資料，結果驚訝地發現：當白矮星繞到紅矮星前方時，它的重力讓紅矮星的星光偏折並變亮的效應，居然大到可以讓克卜勒太空望遠鏡測量得到，也就是所謂的「重力透鏡(gravitational lensing)」現象。雖然這一方面顯示克卜勒太空望遠鏡的偵測能力有多優秀，但另一方面也顯示愛因斯坦廣義相對論在一般恆星系統中也有著舉足輕重的地位。

重力透鏡可使遙遠星系的星光經過前方星系團偏折並變亮，天文學家可藉以研究宇宙中神秘的暗物質和暗能量。天文學家也藉由重力透鏡方式來發現新的系外行星，或是獵取不環繞恆星公轉的獨立行星(free-floating planet)。

在這個克卜勒研究中，這些天文學家則利用重力透鏡效應來估算白矮星質量；且將之與其他資料綜合後，天文學家甚至可藉之計算出紅矮星的質量，以及這兩顆恆星的半徑大小。在克卜勒與愛因斯坦相遇的這一刻，天文學家終能進一步瞭解雙星系統如何演化。