利用專門研究宇宙伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)特功能，科學(xué)家們測量了迄今為止夜空中恒星的最小表觀尺寸。用高能輻射成像望遠(yuǎn)鏡陣列系統(tǒng)(VERITAS)進(jìn)行測量揭示了2674光年外的一顆巨星和700光年外一顆類太陽恒星的直徑。

這項(xiàng)研究為天文學(xué)家確定恒星的大小建立了一種新方法，由DESY的Tarek?Hassan和來自史密森天體物理天文臺(tái)(SAO)的Michael?Daniel領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)在《自然天文學(xué)》上發(fā)表了成功。。天空中幾乎所有的星星都太遙遠(yuǎn)，即使是最好的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也無法分辨。

博科園：為了克服這個(gè)限制，科學(xué)家們使用了一種叫做衍射的光學(xué)現(xiàn)象來測量恒星直徑。這種效應(yīng)說明了光的波動(dòng)特性，當(dāng)一個(gè)物體，比如一顆小行星，經(jīng)過一顆恒星的前面時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。小行星的陰影每天都在我們頭頂上掠過。但它們的影子邊緣并不十分銳利。相反，光線的褶皺環(huán)繞著中心的陰影，就像水波紋一樣。這是一種被稱為衍射圖樣的普通光學(xué)現(xiàn)象，在任何一所學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里，激光擊中鋒利的邊緣都能再現(xiàn)這種現(xiàn)象。研究人員利用了圖案形狀可以揭示光源的角度大小這一事實(shí)。

然而，與學(xué)校實(shí)驗(yàn)室不同的是，被小行星掩住的恒星衍射圖樣很難測量。這些小行星的掩星很難預(yù)測，捕捉衍射圖樣的唯一機(jī)會(huì)是當(dāng)陰影掃過望遠(yuǎn)鏡時(shí)拍出非?？斓目煺?。天文學(xué)家已經(jīng)用這種方法測量了被月球遮擋的恒星角度大小。這種方法可以精確到角直徑約1毫弧秒，從紐約看，這個(gè)角直徑大約相當(dāng)于一枚兩美分硬幣在巴黎埃菲爾鐵塔上的表面大小。然而，天空中沒有多少星星是那么“大”的。為了解決更小的角直徑，研究小組使用了切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。這些儀器通常會(huì)注意來自宇宙的高能粒子和伽馬射線在遇到地球大氣層并在大氣層中快速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的極短且微弱的藍(lán)光。

切倫科夫望遠(yuǎn)鏡不能產(chǎn)生最好的光學(xué)圖像，但由于它們巨大的鏡面，通常像蒼蠅的眼睛一樣被分割成六邊形，它們對包括星光在內(nèi)的快速變化的光非常敏感。2018年2月22日，美國亞利桑那州弗雷德·勞倫斯·惠普爾天文臺(tái)的4架大型VERITAS望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆名為TYC?5517-227-1恒星被一顆直徑60公里的小行星Imprinetta遮擋，從而清晰地探測到了這顆恒星的衍射圖樣。VERITAS望遠(yuǎn)鏡允許每秒拍攝300張快照。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以高精度地重建衍射圖的亮度剖面，從而使恒星的角或表觀直徑達(dá)到0.125毫弧秒。

加上它2674光年的距離，這意味著這顆恒星真實(shí)直徑是我們太陽直徑的11倍。有趣的是，這個(gè)結(jié)果將之前分類模糊的恒星歸類為紅巨星。三個(gè)月后，2018年5月22日，直徑88公里的小行星佩內(nèi)洛普遮蓋了TYC?278-748-1，研究人員重復(fù)了這一壯舉。測量結(jié)果是角的大小為0.094毫弧秒，實(shí)際直徑是太陽的2.17倍。這一次，研究小組可以根據(jù)這顆恒星的其他特征，將其直徑與之前的估計(jì)進(jìn)行比較，之前的估計(jì)是太陽直徑的2.173倍。這是直接測量過的恒星中最小角尺寸，用切倫科夫望遠(yuǎn)鏡分析小行星的掩星，其分辨率比標(biāo)準(zhǔn)月球掩星方法高十倍。而且，清晰度至少是現(xiàn)有干涉尺寸測量的兩倍。

正如作者所寫，這些測量值的不確定性約為10%，研究人員也希望通過優(yōu)化設(shè)置，比如縮小所記錄顏色的波長，可以顯著改善這種情況。由于不同的波長有不同衍射，如果同時(shí)記錄了太多的顏色，圖案就會(huì)被抹去。初步研究建立了一種確定恒星真實(shí)直徑的新方法，科學(xué)家們估計(jì)，合適的望遠(yuǎn)鏡每周可以觀測到一顆以上的小行星掩星。由于同一顆恒星離我們越遠(yuǎn)，看起來就越小，所以向更小的角直徑移動(dòng)也意味著擴(kuò)大觀測范圍。新方法可以分析十倍于標(biāo)準(zhǔn)月球掩星方法的恒星。總之，這項(xiàng)技術(shù)可以為恒星研究提供足夠的數(shù)據(jù)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?Deutsches?Elektronen-Synchrotron

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Astronomy》

DOI:?10.1038/s41550-019-0741-z

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