点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统

来源:光明网2020-04-22 14:06

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  “红背蜘蛛”系统是一种特殊的脉冲双星系统。它有什么有趣的特征,能告诉我们什么呢?最近,中国科学院国家天文台的天文工作者使用FAST在球状星团M92中也发现了一个这样的系统。该研究工作被评为美国天文学会(AAS)2020年4月17日的研究亮点。本文将以此为例,介绍“红背蜘蛛”系统。

  脉冲星是宇宙中最精确的时钟。因为这个原因,脉冲星是天文学的重要研究对象之一。脉冲星是向地球发出周期信号的中子星,直径大约二十千米,质量和太阳差不多,非常致密,是大质量恒星死亡的产物,在银河系中主要分布在银道面上和球状星团(分布在银河系各处,及呈球状或椭球状的星团)中;在近邻的大小麦哲伦星系中也有发现。年轻的脉冲星具有较快的自转速度,比如蟹状星云中的脉冲星每秒钟会旋转约30圈。脉冲星通过旋转将自身动能转化成其它形式的能量,比如电磁波,向宇宙空间释放,并因此越转越慢,并在数千万年后由于自转太慢而不能发射电磁波。如果脉冲星存在物质吸积,如存在于双星系统中,伴星的物质可能就会受到脉冲星吸引而落向脉冲星。物质吸积同时给脉冲星带来了外界的能量,使得脉冲星自转速度的减慢率下降,甚至可以加速脉冲星的自转。毫秒脉冲星是自转周期30毫秒(也有定义为20毫秒)以下的脉冲星,就是物质吸积产生的。这样的外界能量注入可以使得脉冲星,尤其是毫秒脉冲星,能在甚至诞生百亿年后依然发射出电磁波并被探测到。

  FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统

图1: 中间是脉冲星,围绕脉冲星运动的是它的伴星,一个小质量恒星。,可以看到恒星物质受脉冲星影响正在脱离,随后被脉冲星吸积或者向宇宙空间布散。图片来源:NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/11215

  球状星团分布在银河系的银晕上,有着高达到百亿年的演化历史;这使得在其中找到的脉冲星绝大多数也都是非常年老的毫秒脉冲星。银河系有一百多个球状星团,这些球状星团的恒星密度、年龄等特征不尽相同,各个球状星团中发现的脉冲星数量也有很大差别。迄今,已经在30个球状星团中发现了157颗脉冲星。其中名为Terzan 5和47 Tuc (NGC104)的两个球状星团位列第一第二,分别有38颗和25颗脉冲星;而更普遍的情况是,每个球状星团中只找到了不超过5颗脉冲星。导致这种情况的原因,有观测时长和灵敏度的不同,但更为重要的可能是球状星团内禀性质有区别。

  在球状星团脉冲星中,有很多极端的例子。比如,人类发现的自转最快的脉冲星,自转周期1.39毫秒,是球状星团中发现的。球状星团脉冲星往往存在一个小质量的伴星;脉冲星和伴星构成双星系统,互相绕转。有的脉冲星双星系统的轨道周期特别短,例如脉冲星J0024-7204R,其轨道周期只有1.58小时。有些脉冲星双星系统的伴星质量非常小,不足太阳质量的百分之十。有的脉冲双星系统还存在掩食的现象。

  脉冲双星系统有多种类型,所谓“红背蜘蛛”系统(redback system),是一种特殊的脉冲双星系统。它的轨道周期往往短于1天,轨道偏心率非常接近0,伴星是一个只有太阳三分之一甚至更小质量的恒星。最重要的特征是,伴星物质正在被脉冲星吸积。这个系统的名字也是由这种吸积现象而来的。红背蜘蛛属于球蛛,身体是个大球,头是个小球。

 FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统 

图2. 红背蜘蛛(图片来源于网络)

  红背蜘蛛和用来命名另外一种脉冲星双星系统的黑寡妇蜘蛛(black widow)蜘蛛一样,都倾向于把自己的伴侣吃掉,就像这两种脉冲双星系统中,脉冲星正在把伴星物质吞噬掉一样。图1是表示这样演化的动画,图2是红背蜘蛛的图片。长达百亿年的演化使得球状星团脉冲星有着非常高的毫秒脉冲星比例,也意味着其中的双星比例也远高于我们在银河系银盘上发现的脉冲星。这些球状星团的脉冲双星系统中就有超过10个“红背蜘蛛”系统。球状星团中“红背蜘蛛”系统中的伴星往往已经演化成为了亚巨星,且处于轨道周期较短的双星系统中,因此在真实的观测数据中可以看到由于伴星物质被脉冲星吸积而产生的各种现象,包括脉冲到达时间延迟,脉冲星信号长达轨道周期40%甚至更长的掩食,甚至在一个轨道周期中出现不止一次的掩食。这样的物质吸积,会使得脉冲星的自转被很快加速,如上文提到的自转最快的脉冲星,也是“红背蜘蛛”系统。

  我国自主设计建造的500米口径球面射电望远镜(FAST)是目前世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜。自2016年落成以来,FAST一直在进行调试,并在2020年1月完成了国家验收,开始开放运行。

  在调试过程中,FAST团队对一些球状星团进行了脉冲星观测,尝试搜寻其中的脉冲星。我们在2017年10月9日的数据中发现了一颗毫秒脉冲双星,称为M92A(或PSR J1717+4308A);图3展示了我们发现这个脉冲星时看到的脉冲星信号的样子。在接下来几年中,后随的计时观测(timing)也完成了。这是FAST最早发现的球状星团中的脉冲星之一,也是球状星团M92中的首个脉冲星发现。在后续的观测中,我们有着更多的发现,并且直到现在一直在对其密切监测。

FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统  

图3,M92A发现时的图片。

  其中左上角的波形表示的是脉冲星的信号形状,左下的灰度图显示了在观测的1800秒内都能观测到M92A的信号。中间的灰度图和下方的波形表现了信号的色散特征,是判断信号是否可能是脉冲星的重要依据。右侧表示了信号周期的变化情况。

  观测表明,M92A自转周期为3.16毫秒,色散量(等价于以单位面积为底,源到地球距离为高的一个长方体中的电子数量)为 35.45 pc cm-3处于一个典型的“红背蜘蛛”系统中。M92A双星系统的轨道非常接近圆形,轨道周期约0.2天,轨道半径大约12万千米,伴星质量大约是0.18倍太阳质量,处于主序星向巨星演化阶段。观测数据中看到了长达轨道周期40%的掩食,并且偶尔在掩食开始前或者结束后的约1000秒时间内还会发生第二次掩食。较短的轨道周期和轨道半径及掩食特征表明,伴星物质正在被脉冲星吸积。图4作为示意图展示了这样一种“红背蜘蛛”系统。

 FAST最新发现:球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统 

图4,蓝色的是脉冲星,红色的是一个小质量恒星。可以看到恒星的物质被脉冲星吸积。而在双星轨道运动过程中,存在恒星遮挡脉冲星的情况,即有掩食发生。图片来源:NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/10625

  这一研究使得我们可以通过脉冲星来研究球状星团M92的演化,也为“红背蜘蛛”系统增加了新的样本。目前,这个脉冲星双星系统仍然有一些问题有待探索,例如,物质吸积速率是多少?这样的吸积是什么时候开始的?还能持续多久?这些问题的解答将为我们带来关于M92A演化的更多细节和故事。

  不久的将来,随着基于FAST的观测和巡天的深入展开,我们很可能发现更多如“红背蜘蛛”系统这样的特殊的脉冲星和脉冲双星。

  论文链接:

  https://aasnova.org/2020/04/17/pulsar-discovery-from-an-enormous-telescope/

  参考文献

  [1] Pan et al. 2020, arXiv:2002.10337

  作者简介

  钱磊,中国科学院国家天文台副研究员。主要研究方向为射电天文,撰写过多篇科普文章;潘之辰,中国科学院国家天文台助理研究员。主要研究方向为脉冲星搜索和恒星形成。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2026世界互联网大会数字丝路发展论坛剪影

  • “冰城夏都”活力涌动 多彩文旅解锁清凉盛夏

独家策划

推荐阅读
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
未来产业是重塑全球技术竞争格局和引领全球经济变迁的重要力量,“十五五”规划纲要对“培育壮大新兴产业和未来产业”作出系统部署。
2026-07-21 03:40
当前,全球能源转型加速推进,海洋能正处在由技术探索迈向规模化应用的关键阶段。准确把握发展形势与现实基础,对于我国海洋能发展具有重要意义。
2026-07-20 10:00
如何破解制约早期科技成果转化的瓶颈?加强国家技术转移体系建设,培养一批全链条参与成果转化的技术经理人迫在眉睫。
2026-07-20 04:20
今年7月,全球人工智能治理的讨论在短短几天内完成了一次耐人寻味的“接力”。从在日内瓦举行的联合国人工智能治理全球对话、“人工智能向善”全球峰会,再到在上海举办的2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议,来自政府、国际组织、企业和学术界的讨论都聚焦于同一个问题:面对快速发展的人工智能,国际社会如何把已有的治理理念真正转化为国际合作行动?
2026-07-20 04:20
中国农业科学院和中国农业绿色发展研究会18日在北京发布《中国农业绿色发展报告2025》。报告显示,我国农业绿色发展水平持续向好,农业绿色发展机制创新不断拓展,理论研究与技术突破协同发力,区域农业绿色发展实践走深走实。
2026-07-20 04:20
加载更多