【探索14】重力透鏡,宇宙的天然望遠鏡

圖片來源:維基百科
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■講到「穿越」這兩個字,大家想到的通常會是像電影《星際效應》那樣,穿越一個蟲洞,找到一顆行星,非常具象又很好理解。不過我們今天講的「穿越」,是指本身會造成時空扭曲的行星系統,在經過遙遠光源射出的光線時,光線穿越了行星系統,產生一個聚焦效應。這就是所謂的「重力微透鏡」,也就是我們如今用來尋找系外行星的主要工具之一。

講師|中研院天文及天文物理所 辜品高 副研究員
撰文|高英哲

所謂系外行星,指的是在太陽系外,環繞著太陽以外其他恆星的行星。宇宙裡有各式各樣的系外行星,有因為距離母星太近,所有岩石都被熔化,汽化後拉出一條類似彗星尾巴的熔岩行星;有類似木星結構,但是表面溫度高達攝氏兩千多度的熱木星。有些系外行星運行軌道千奇百怪,有橢圓的,彼此不共面的,甚至跟母星自轉方向逆行的;有些系外行星則是屬於雙星系統,也就是有兩顆太陽。

尋找新行星的方法,可以從已知行星軌道不合理的現象推敲,比方說海王星就是根據天王星軌道運行速度與預測值的落差,用牛頓力學推敲出來的。當天文學家發現水星橢圓形軌道的長軸,有緩慢向公轉方向進動的怪現象時,他們嘗試故技重施,想要找到一顆可用牛頓力學解釋的新行星,卻沒有找到。這問題後來是由愛因斯坦的廣義相對論裡,空間扭曲的概念加以解決:愛因斯坦認為牛頓力學所說的重力,其實就是物質造成時空幾何扭曲的現象,用這個概念就能充分解釋牛頓力學未能解釋的部分。

在愛因斯坦於 1915 年發表廣義相對論之後數年,英國天體物理學家愛丁頓爵士 (Sir Arthur Stanley Eddington) 利用日食,觀測受太陽重力影響而位移的背景星光,藉此驗證廣義相對論。在將近一百年之後,天文學家用這套原理所產生的重力透鏡效應,來尋找系外行星。重力透鏡可說是宇宙裡最大的天然望遠鏡,可將背景光源放出的光線聚焦;不過由於觀測者、前景透鏡跟背景光源,三者很少能夠構成一條完美的直線,因此聚焦的光線也很少會形成漂亮的愛因斯坦環 (Einstein ring) 。當我們使用重力透鏡來尋找系外行星時,為了要增加三點一線,找到行星的「中獎機率」,我們會往背景星光很多的區域進行觀測;這樣的星空以在南半球進行觀測居多,這也就是為什麼重力透鏡的觀測站,大多設在位於南半球的天文台。

重力透鏡第一次找到系外行星,是波蘭天文學家帕琴斯基 (Bohdan Paczyński) 在 2003 年,利用設於智利的「光學重力透鏡實驗」 (OGLE) 發現;由於做為前景透鏡的行星系統,質量相對於星系甚至於星系團來說很小,我們稱之為重力微透鏡。行星系統通過可以成像的愛因斯坦半徑(也就是愛因斯坦環的半徑),造成亮度變化的時間,可能只有短短幾個小時;因此重力微透鏡的觀測,需要把世界各地的觀測站串聯起來,接力進行觀測,比方說 OGLE 跟日本設於紐西蘭的 MOA 望遠鏡合作,以及南韓的 KMTNet 觀測網,都是全球接力觀測網路。

目前透過重力微透鏡發現的系外行星,大多是質量比較大,距離恆星比較近的行星;質量以及軌道與地球類似的系外行星,還有待尋找探索。利用行星凌日時造成的光度變化,尋找系外行星的克普勒太空望遠鏡,在這方面的成績比較傑出,自 2009 年發射迄今,已經確認了一千多顆系外行星;今年七月宣佈發現的克卜勒-452b ,其大小以及環繞恆星的軌道,都跟地球十分類似,甚至可能存在有液態水,被媒體稱為「第二個地球」。不過凌日觀測法只能確認凌日星體的大小,無法確認其質量,凌日的也有可能是白矮星之類的星體;這是重力微透鏡觀測法可以補其不足的地方,藉由重力透鏡效應計算修正星體凌日的亮度變化,可剔除那些明顯不可能是行星的凌日星體,從中找出真正的系外行星。

我們用各種方法尋找系外行星,除了想要找到一個未來可供人類移居的行星以外,更是想要回答一個亙古以來的神聖問題:這個地球以及在上面繁衍的生命,究竟是宇宙間的常態抑或偶然?著名的德瑞克方程式 (Drake Equation) ,就是用貝氏機率的概念,試圖表達這個問題:宇宙間懂得使用電子通訊的文明數目,等於銀河系裡的恆星數,乘以五個機率(一個恆星有行星的機率、行星落於適居帶的機率、生命可在這顆行星上產生的機率、生命可進化成資訊文明的機率、資訊文明可以存續的機率)。天文學家可以做到的,是把銀河系的恆星數以及前兩個機率,這三個數字盡量予以量化;重力微透鏡透過光線「穿越」時空的方式,可幫助我們確認行星落於適居帶的機率,使我們對於系外行星的探索,往前更加貼近一步。

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本文整理自:104/10/24
由辜品高副研究員在臺大應力所國際演講廳所主講之「『穿越』時空找行星」演講內容。

 

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