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近日,中國科學院國家天文臺研究員韓金林帶領(lǐng)的團隊,利用“中國天眼”FAST發(fā)現(xiàn)了一個罕見的毫秒脈沖星,它有六分之一的時間被伴星遮擋(即掩食),且伴星質(zhì)量遠超一般掩食脈沖星的伴星。這一發(fā)現(xiàn)對恒星演化理論、致密星吸積物理和雙星并合引力波源研究具有重要意義。
天文學家對單個恒星如何演化已有相對清晰的認識。在浩瀚的銀河系中,多數(shù)恒星都是成對出現(xiàn),以雙星系統(tǒng)的形式共同演化。過去幾十年里,雙星系統(tǒng)如何交互和演化一直是天文學領(lǐng)域的前沿難題。
恒星演化理論認為,質(zhì)量越大的恒星演化速度越快。在雙星系統(tǒng)中,較大質(zhì)量的恒星一般會率先演化,最后塌縮成密度極高的致密星,如中子星或黑洞。在這個階段,較小質(zhì)量的伴星應(yīng)會繼續(xù)演化。但是,這顆伴星在演化時,物質(zhì)會被致密星吸積,伴星會由于質(zhì)量流失而體積膨脹,甚至膨脹到把致密星“攬入懷中”,一起在公共的氫元素包層中演化約一千年。
在這個過程中,具有強引力的致密星貪婪吸積伴星的物質(zhì),使其自轉(zhuǎn)加快。同時,致密星與伴星相互繞轉(zhuǎn)的過程中,把公共的氫包層全部吹散,留下伴星中心燃燒的內(nèi)核。這時的伴星主要靠燃燒的氦元素發(fā)光,溫度有幾萬度。
千年之后,經(jīng)歷這一過程的雙星最終留下快速自轉(zhuǎn)的致密星與高溫氦星,在非常緊密的軌道上相互繞轉(zhuǎn)。然而,這類特殊的雙星系統(tǒng)在宇宙中存活時間僅約一千萬年,對于138億年的宇宙而言,如同夜空中稍縱即逝的流星。
該團隊通過模擬分析發(fā)現(xiàn),銀河系千億顆恒星中,這樣的系統(tǒng)在銀河系中僅有幾十個。它們極為罕見,且難以觀測。因此,天文學家推斷的雙星系統(tǒng)公共包層演化理論長期缺乏直接觀測證據(jù)的支持。
2020年5月,韓金林團隊利用FAST對銀河系進行脈沖星深度搜索,發(fā)現(xiàn)了一顆自轉(zhuǎn)周期為10.55毫秒的毫秒脈沖星PSR J1928 + 1815。2020年11月,團隊利用FAST開展幾次后隨觀測后,證實它處于一個半徑僅50萬公里的致密軌道,相互繞轉(zhuǎn)的軌道周期僅為3.6小時。它與伴星相互繞轉(zhuǎn)時,有約六分之一的時間被伴星遮擋。團隊推測,這個伴星的質(zhì)量至少有1個太陽那么重,遠超出一般掩食脈沖星的伴星,但狹小的軌道根本容不下一個像太陽這樣的恒星。團隊根據(jù)多方面限制推斷,這個伴星不是普通恒星,也不是演化后的致密伴星,而應(yīng)是經(jīng)歷過公共包層演化的氦星。同時,脈沖星信號掩食是氦星甩出的星風物質(zhì)遮擋所致。
這一罕見天體的發(fā)現(xiàn)可以為天文學研究帶來多方面的突破。首先,對于探索多年的恒星演化理論而言,這個雙星系統(tǒng)是雙星公共包層演化階段之后、處于致密軌道的特殊雙星。這項發(fā)現(xiàn)有助于完善和深化科學家對雙星演化具體過程的理解,如兩顆星如何靠近導致軌道收縮、兩顆星之間如何進行物質(zhì)交流、中子星自轉(zhuǎn)如何加速到幾個毫秒、公共氫元素包層如何被致密星吹散等。其次,這個中子星在公共包層里應(yīng)在很短時間里吸積了大量物質(zhì),使脈沖星自轉(zhuǎn)加快。新發(fā)現(xiàn)的這個致密雙星可能是中微子散熱機制理論的重要例證。同時,新發(fā)現(xiàn)的稀有雙星可演化成為引力波源,為致密雙星并合和引力波的產(chǎn)生機制提供了新限制。
5月23日,相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《科學》(Science)上?!犊茖W》審稿人認為,這是個獨特的致密雙星系統(tǒng),具有極高的科學價值,有望在多個不同領(lǐng)域——如恒星群體演化、引力波源預(yù)測、雙星和恒星演化過程、深度光學/紅外的氦星觀測等方面引導出很多有趣的研究課題,使得我們對雙星演化中公共包層階段這一目前仍知之甚少的領(lǐng)域有更深入的認識。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術(shù)部、中國科學院等的支持。該工作由國家天文臺、青島理工大學、南京大學、中國科學院云南天文臺、中山大學、廣州大學、中國科學院新疆天文臺、北京大學、西南大學合作完成。
科學家發(fā)現(xiàn)罕見掩食脈沖星
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