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

  • 锦绣初冬

  • “世界市长对话·南京”举行 共话滨水城市未来

独家策划

推荐阅读
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
小雪时节,容易发生感冒、皮肤干燥、关节疼痛及咳嗽等不适,大多因为寒燥外袭、津液失调。
2025-11-21 09:52
当前,关于精神疾病与心理治疗,公众还有哪些常见误解?带着这些问题,本报记者采访了北京安定医院多位专家。
2025-11-21 09:49
2023年11月,“天衍”量子计算云平台正式发布,截至目前,访问量已突破3700万次,覆盖海内外60多个国家和地区的用户,实验任务数超过270万个。
2025-11-21 09:47
20日,记者从南京大学获悉,该校沈树忠院士团队的侯金波博士等人记录了湖北省通山县一处距今约5.4亿年的埃迪卡拉纪化石宝库,并将其命名为“通山特异埋藏化石库”。
2025-11-21 09:38
完成第一阶段6G技术试验,形成超过300项关键技术储备,资本加速布局6G生态……尽管6G网络预计将在2030年开始部署,但我国6G产业布局正加速铺开,呈现政策护航、技术攻坚、资本活跃的特征。
2025-11-20 09:11
谷山梁3吉瓦/12.8吉瓦时储能电站项目建成后,每年预计可向电网输送36亿千瓦时的清洁能源电力。“独立新型储能电站放电时为发电企业,充电时视同电力用户,电网的峰谷电价价差形成利润空间,吸引企业投身于此。
2025-11-20 09:11
中国第一辆蒸汽机车就诞生在我的家乡唐山。我为之骄傲。为此,大学学习机械制造与设计专业的我,毕业后,就一头扎进轨道交通检测设备研发领域。
2025-11-20 04:25
常有人说,发动机是火箭的“心脏”。而我从事的工作是,液体火箭发动机推力燃烧系统高精密产品的生产加工,所以大家都叫我“火箭心脏钻刻师”。
2025-11-20 04:25
四川全口径外送电量已超1.9万亿千瓦时。这一规模相当于江苏、浙江、安徽三省全年用电量之和,标志着四川落实“西电东送”能源战略取得丰硕成果,
2025-11-20 04:25
大国重器又传好消息!江门中微子实验(JUNO)装置建成运行仅两个月,就取得首个物理成果——测量太阳中微子振荡参数,结果比此前实验的最好精度提升了1.5~1.8倍。
2025-11-20 04:35
为促进卫星导航定位产业有序发展,维护国家地理信息安全,我国将对卫星导航定位基准站实行统一规划、统一标准、统一监管。针对目前基准站重复建设、存在数据安全隐患等主要问题,办法规定自然资源部会同有关部门制定全国基准站建设布局规划。
2025-11-19 09:52
18日,我国首个配置冷却塔的“华龙一号”核电机组——中广核山东招远核电项目1号机组顺利完成核岛第一罐混凝土浇筑,标志着该项目一期工程建设全面启动。
2025-11-19 09:51
2020年至2024年间,全球光热发电装机年复合增长率为4.24%,我国同期增长率达11.7%,显著高于全球水平;技术装备国产化率突破95%,释放出产业加速发展的强劲信号。
2025-11-19 05:35
科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,科普与科技创新“同等重要”。
2025-11-19 05:55
日前,由清华大学产业发展与环境治理研究中心和自然科研智讯联合编制的《国际科技创新中心指数2025》报告正式发布。
2025-11-19 05:55
新疆的孩子们在“流动科学课”上被磁悬浮演示、机器人互动、矿物标本展示等吸引了目光;甘肃张掖的科技工作者为大伙儿演示经典科普实验“火焰掌”;上海的科学家们踏上科技节的红地毯赢得公众的掌声……这些生动场景共同勾勒出“十四五”期间我国科普事业的发展印记。
2025-11-19 05:55
如今,在学习中遇到问题可以问人工智能,写作业也可以用人工智能辅助查询信息。正如这名同学所言,生成式人工智能正改变传统的以知识积累和传递为中心的教学模式。
2025-11-18 10:28
加载更多