60厘米望远镜和双星的故事

　　中科院国家天文台位于河北省兴隆观测基地的60厘米望远镜（图1）是一台历史悠久且硕果累累的望远镜，曾经为我国天文研究做出卓越贡献，现在它仍然坚守在科研一线且任重道远，是我们天文观测工作的主力之一。

图1.兴隆观测基地60厘米望远镜（图源：兴隆观测基地网站）

　　在中国科学院2020年度科学节，国家天文台11月1日《你好，天王星》科普直播活动中，我作为60厘米望远镜当晚实施观测的科研工作人员，通过云端向公众介绍了目前我们正在利用60厘米望远镜进行的观测目标。

图2.《你好，天王星》科普直播活动照片

活动中，收到不少观众留言，大家对我们的观测很感兴趣，现在我们就围绕当晚的观测目标及其所涉及的双星相关知识给大家做一个简单的介绍。

　　直播当天晚上我们观测的是一颗Algol型食双星，星名1RXS J201607.0+251645（见图3）。资深的天文爱好者一听星名应该就能猜到这个命名肯定是来自某个巡天项目，没错，前面的1RXS是1st ROSAT X Survey首字母的缩写，即首次ROSAT卫星X射线光谱候选体目录所用的前缀，而后面的J201607.0+251645就是目标的赤经赤纬。

图3.11月1日直播当晚B波段食双星1RXS J201607.0+25164观测图像（图源：江林巧）

　　正如直播嘉宾郑捷博士所提到的，由于现代巡天观测获得的星表都非常庞大，天文学家不再像以前那样用连续的整数对观测目标进行编号命名，而是更加简单、直接的采用目标的赤经赤纬进行编号命名。这与我们传统意义上的命名稍有不同，更像是个简单的编号。当然，同一个目标如果同时出现在不同的巡天项目中，就会同时有几个包含赤经赤纬的命名，毕竟面对庞大的巡天星表，这是目前最为行之有效的命名方式了。

　　现在回到我们当晚的观测目标，前面介绍这是一颗食双星。双星，顾名思义由两颗恒星组成的恒星系统。我们通常把组成双星系统的两颗恒星叫做子星，双星系统中的两颗子星围绕着它们的公共质心作闭合的轨道运动，即公转。如果两子星相互绕行的轨道平面与观察者（我们）的视线沿着同一方向，两子星就会彼此掩食（即一颗子星从另一颗子星前面穿过，类似月亮掩食太阳）从而造成双星系统的亮度发生周期性的变化，如图4所示。

图4.食双星及其光变曲线（图源：ESO）

　　有趣的是，在人类世界中，双胞胎是小概率事件，但是在恒星的世界中，双星系统甚至多星系统是大概率事件。研究表明，宇宙中的恒星有一半以上都是以双星或者多星系统的形式存在。目前的研究表明，我们观测的这颗食双星是一颗由G5型子星和一颗K5型子星组成的双星系统。

　　那么为什么要观测研究这颗食双星呢？刚刚提到这个系统的其中一颗子星是G型恒星，提到G型星大家有没有觉得很耳熟？

　　是的，离我们最近、我们最熟悉的恒星太阳就是一颗G型主序星。对于太阳，大部分天文爱好者最感兴趣的应该是太阳表面的黑子、耀斑等磁活动，这些也一直是太阳物理学家们研究的重点。

　　根据磁发电机原理，恒星自转越快，表面的磁活动也会越强烈。太阳的自转周期约为24.6天，而我们正在观测的这颗双星系统，它的轨道周期（即两颗子星绕彼此公共质心运动一周所需要的时间）只有0.39天（约9.4小时），由于强潮汐耦合作用，两颗子星趋于同步自转，即两子星的自转周期和轨道周期几乎相等。与太阳24.6天的自转周期相比，这颗双星系统两子星的自转速度约为太阳的63倍，因此，这颗类太阳G型恒星表面很可能存在比太阳强得多的磁场活动。对它们的观测研究，为我们深入细致恒星表面的磁场活动及其规律提供非常好的机会。

　　上面可能还有一句话大家比较陌生，“在强潮汐耦合作用下，双星系统两子星趋于同步自转”，这是什么意思呢？

　　这个问题的答案跟我们在地球上为什么永远只能欣赏到月球的一侧是一样的，因为月球在地球潮汐力的作用下被地球潮汐锁定了。那么，什么是潮汐力？通俗来说潮汐力就是一个物体对另一个物体不同部分的引力强度不同，靠近施力物体一侧引力大，远离施力物体一侧引力小，这种引力的不均匀会造成物体被拉伸，这也是地球上壮观的潮汐现象产生的原因，月球对地球的潮汐力不仅引发了地球上的潮汐隆起，还造成了地球越转越慢。

　　如图5所示，在现实中，由于地球的自转与月球公转方向相同且地球自转速度大于月球公转速度，因此地球被月球引起的潮汐隆起并不直接指向月球，而是在地球自转方向上稍微超前月球，而月球的引力对近侧隆起部分的拉力大于远侧，整体效果就是减慢地球的转速，最终结果就是地球自转的速度与月球绕地球公转的速度相同。

图5.地月系统及地球的潮汐隆起在自转方向上稍微超前月球（为便于大家理解，图中效果被大大夸张）（图源：维基百科）

　　当然，地球的自转速度要想跟地月互相绕转的速度同步，可能需要数亿万年，而对月球而言，这个过程早就完成了。地球对月球更强的潮汐耦合作用使月球很早之前就进入了一个同步轨道，换句话说月球已经被地球潮汐锁定了。

　　这种现象在宇宙中相当普遍，可以发生在任何两个靠近的天体之间，质量小的天体先被锁定，质量大的天体也会如此，最终相互锁定。大部分太阳系中的卫星也同样被其母行星的潮汐力锁定了，特别地，矮行星对——冥王星和卡戎，它们实现了相互潮汐锁定。而对我们宇宙中普遍存在的密近双星系统，由于两子星距离较近，质量一般也都在同一个数量级上，相互锁定就更加常见了。

　　作者简介：江林巧，理学博士，四川轻化工大学副教授，美国佛罗里达国际大学访问学者，主要从事密近双星观测及其物理性质研究。