白矮星質量越大半徑越小，愛因斯坦的廣義相對論又一次正確

科學家揭開了白矮星的神秘面紗，支持了愛因斯坦的廣義相對論。天文學家很早就將白矮星的質量和半徑之間的關係理論化了，但直到現在才觀察到它的質量-半徑關係。一項新的研究顯示，隨著白矮星質量的增加，它們的體積會縮小，這與大多數已知的天體不同。

在這項新工作中，研究人員使用了一種新的方法，將來自數千顆白矮星的數據合併起來觀察這一奇怪的現象，並為廣義相對論提供了進一步的證據。

當像太陽這樣的恆星耗盡燃料時，它們的外層會向外膨脹爆炸，只剩下地球大小的核心。這個核心被稱為白矮星，它被認為是恆星的最終進化狀態之一。但是這些恆星殘骸仍然是一個謎，因為當白矮星的質量增加時，它們的體積就會縮小。因此，白矮星的質量將與太陽相似，但會被壓縮成地球大小的物體。

白矮星變得如此小而緊湊，最終坍縮成中子星，它是更高度緻密的恆星屍體，其半徑通常不會超過30公裡。自20世紀30年代以來，人們就開始理論化白矮星內部的質量-半徑關係。白矮星質量增加而同時體積縮小的原因被認為是由它的電子狀態引起的，白矮星內部的壓力使電子被電離出來，電子的數量急劇增加。這種機制是量子力學和愛因斯坦的廣義相對論的結合。

約翰霍普金斯大學物理和天文學系副教授納迪亞·扎卡姆斯卡說：「質量-半徑關係是量子力學和引力的驚人結合，但對我們來說這是違反直覺的。我們認為，當物體質量增加時，它就會變大。」

在這項新的研究中，約翰霍普金斯大學的研究小組開發了一種觀察白矮星質量-半徑關係的方法。研究人員利用斯隆數字巡天和蓋亞太空天文臺收集的數據，觀察了3000顆白矮星。

研究小組測量了引力紅移效應，也就是恆星重力對光的影響。當光線離開物體時，來自物體的光的波長會變長，使物體看起來更紅。通過觀察引力紅移效應，他們能夠確定半徑相似的白矮星的徑向速度。徑向速度決定了一顆恆星是在靠近還是遠離太陽。通過確定恆星的徑向速度，他們也能夠確定恆星質量的變化。

這個理論已經存在很長時間了，但值得注意的是，科學家使用的數據集的規模和精度都是前所未有的。這些測量方法，在某些情況下是多年前發展起來的，突然間變得更好了，這些舊的理論終於可以被探測了。研究中使用的方法從本質上把一個理論變成了一種觀察現象。此外，它將來還可以用來研究更多的恆星，還可以幫助天文學家分析白矮星的化學成分。