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

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

天外来“客”

来源:光明网2021-06-03 18:12

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  在众多神奇而有趣的天文事件中,有一种天象十分显著,甚至可以用人眼捕捉到:在一片黑暗的天区中突然出现一颗明亮的恒星,在夜空持续一段时间后隐没不见。古天文关于这种神秘天象的记载最早出现于《汉书·天文志》中, “元光元年(公元前134年)六月,客星见于房。” 该记录中提到的“客星”就是指今天所说的新星和超新星。

天外来“客”

图1. 《汉书·天文志》(图源:中国古代新星和超新星的记录丨科学史)

  这类特殊天体平时十分黯淡,隐匿于广袤的夜空中无法分辨,然而演化到某一阶段时亮度会急剧增加乃至肉眼可见。“客星”中的新星即是我们所谈论“主角”,激变变星的一个子类。

天外来“客”

图2. 闪现的新星 (图源:NASA)

  激变变星物理图景

  放眼整个宇宙,恒星可算是构成各类天体系统(星团、星系等)的基本组件,也是天空中最常见的天体。作为最小的单元,恒星或独立存在,或以双星、多星系统结伴而行。激变变星属于密近双星中的半接双星类型,即两颗恒星中其中一颗的物质充满了洛希瓣。

  在激变变星的系统中,白矮星(主星)作为“捕食者”不断地从具有更大质量的“捐赠者”(伴星)那里掠夺物质,带有强大角动量的物质无法立即融入白矮星,而在其周围形成一个气体吸积盘。伴星通常是一颗晚型主序星,在特殊情况下也可能是一颗演化中的巨星甚至是一颗白矮星(伴星同样是白矮星的AM CVn不在文章讨论范畴内)。

天外来“客”

图3. 激变变星艺术图 (图源:NASA)

  激变变星“大家族”

  作为双星系统的同时,激变变星还兼具变星的角色,亮度会随时间发生明显的变化。根据光变的幅度和时标,激变变星包括以下五种子类:经典新星,再发新星,矮新星,类新星和磁激变变星。经典新星是所有子类中爆发最为显著的类型,有且只有一次。爆发前后星等变化最小约有6等,而最大可至19等。

  星等变化或许不能给人以最直观的感受,那么我们把它转换成亮度变化,相差10个星等,亮度即是原来的10000倍。从这一事实来看,新星爆发的剧烈程度可见一斑,它也是仅次于超新星爆发的一个耀眼的天象活动。再发新星,顾名思义,是被观测到至少两次以上爆发的新星。从已观测再发新星的统计结果来看,两次爆发的时间长达10年以上。和经典新星的爆发模式十分相似,再发新星在爆发过程中的亮度也会经历快速的上升和缓慢的下降。

天外来“客”

图4. 一颗新星的光变曲线 (图源:Michael K. Rulison)

  矮新星是激变变星所有类型中成员最为丰富,并且研究也最为广泛的一个子型。矮新星的爆发通常归因于吸积盘的不稳定性,爆发时吸积盘会缓慢地扩张。爆发期过后,矮新星会进入宁静期,而此时吸积盘会缓慢地收缩,就像会呼吸一样。

  根据爆发时光变曲线的各种不同形态,矮新星又可以细分为三个亚型:Z Cam型,SU UMa型,和U Gem型。

  相比于新星,矮新星爆发地更为频繁,规模和持续时间都远远小于前者。一般来说,这类激变变星在爆发期间的星等变化在2到6个星等,持续时间为数天到数周,而爆发时间间隔通常是20天到数年不等。

  以上三种类型的激变变星都经历过剧烈的爆发阶段,而所有没有经历过爆发的类型都统一归类为类新星。这一简单粗暴的定义使得类新星囊括了多种多样的激变变星类型。在该文章中提到的类新星仅指无磁场类型,包括UX UMa型,VY Scl型和SW Sex型。这种类型的激变变星在光学特征上类似于爆发后的新星,在光变特征上会表现出不规律的亮度下降。

  最后一类是磁激变变星,即可以探测到白矮星主星有显著的磁场强度。早期,这一类激变变星因无爆发阶段而被归类为类新星,直到上世纪70年代才被拎出来单独成类。按照磁场强弱对吸积过程造成的不同影响,磁激变变星被分为两大类:AM Her型偏振星和DQ Her型偏振星。两者的区别在于前者由于足够强的磁场致使吸积盘被打散而只剩下白矮星磁极附近的吸积柱,而后者的磁场强度比前者弱一到两个数量级,因此会有部分吸积盘“幸存”下来。

  激变变星的轨道周期空缺和最短轨道周期

  双星轨道周期是这类系统动力学演化最重要的示踪器。激变变星是一类短周期双星系统,大部分样本的轨道周期都小于10个小时。天文学家在激变变星轨道周期进行统计时发现了一个奇特的现象:位于周期2~3小时范围内的大部分激变变星“离奇失踪”,以至于在这个时段出现了周期空缺。除此之外还有一个显著的特征,整个轨道周期分布图在76分钟左右戛然而止,而没有一个缓变的过程。

天外来“客”

图5. 激变变星的观测轨道周期分布 (图源:Katysheva, et al., Astrophysics, 2003, 46, 114)

天外来“客”

图6. 激变变星各个亚型的观测轨道周期分布 (图源:戴智斌)

  对于2-3小时的轨道周期空缺,目前被普遍接受的理论解释是电磁制动效率的降低导致伴星离开洛希瓣,最终使得双星系统脱离激变变星的范畴。想要理解这一理论,我们就需要对激变变星“前世今生”的认知有一个大概的框架。激变变星理论上应起源一个远距离双星系统,随着演化过程中角动量的损失,双星间距变短同时轨道周期不断减小。

  对于周期大于3小时的激变变星,电磁制动和引力辐射主导了整个双星系统的演化。在周期空缺边缘3小时处,伴星质量的不断减少使其内部物理结构发生了变化,这一变化的最终后果是电磁制动效率降低,伴星半径收缩而离开了洛希瓣。

  而在周期空缺的另一边缘2小时处,伴星重新充满洛希瓣,相应地,激变变星的吸积过程“卷土重来”。观测上,轨道周期处于2~3小时的后共包层双星的发现在一定程度上证明了该理论的正确性。尽管如此,电磁制动效率降低理论仍然面临着许多不可解释的挑战。

  例如问题之一,伴星内部结构为什么恰好在轨道周期在3小时处发生变化,变成全对流层结构。由此看来,约束双星结构和演化的理论假设还需要经过漫长的实践检验。

  跨越周期空缺带之后,激变变星继续向更短周期的系统演化直至轨道周期的最小极限~76分钟处。为了解释最短截至周期的存在,天文学家认为此时不断损失物质的伴星已经达到维持氢燃烧的质量下限,从而进入了简并态。

  伴随伴星的这种改变,整个激变变星系统反向掉头并开始向更长周期演化,成为“period bouncer”。然而这一理论的提出涉及了许多研究并不成熟的天文学领域,至今仍是激变变星研究未解密题之一。

  激变变星样本的搜寻

  迄今为止,激变变星样本的发现来自各种不同的渠道,包括光变,光谱和颜色选择,每一种方法的搜寻结果都会有一定的选择效应。最直接有效的方法是利用激变变星尤其是矮新星的爆发特征,在时域测光巡天中搜寻(如CRTS,OGLE,ASAS-SN,MASTER,ATLAS等巡天)。

天外来“客”

图7. Catalina观测的一颗矮新星的光变曲线 (图源:CRTS)

  例如,CRTS和OGLE时域巡天中发现的激变变星均有上千颗。另外,激变变星独特的光谱和测光特征也是将其从一众天体中挑选出的有效手段。

  作为非常成功的巡天项目,SDSS在2000年投入使用,目前已经运作了20年之久并在诸多研究领域取得了显著的成果。自2002年开始,Szkody等人在10年间不断更新了从SDSS数据中搜寻到的激变变星样本,最终得到了285个激变变星的星表,其中有超过一半的激变变星(151个)可以计算得到轨道周期。SDSS优越的深空探测能力使激变变星的研究延伸到了更加黯淡的样本(暗于20等),从而突破了许多基于之前激变变星的研究极限,尤其是轨道周期分布问题。

  从激变变星的光谱获取量来说,LAMOST巡天项目可与之比肩。作为世界上光谱获取率最高的光学天文望远镜,LAMOST已经孜孜不倦工作了10个年头,光谱获取量达到千万量级。如此庞大的天体光谱数据库为天文学研究各个领域提供了丰富的资源。

  侯文等人基于激变变星的光谱特征,利用LAMOST第五次发布数据对该特殊天体进行了全面系统地搜寻,共发现245颗激变变星(对应380条恒星光谱)。

天外来“客”

图8. LAMOST中的激变变星光谱 (图源:Hou, et al., AJ, 2020, 159, 43)

  在SDSS和LAMOST巡天搜寻到的样本中都发现了少数位于周期空缺处的激变变星。从轨道周期空缺被发现开始,天文学家对其存在就一直存在着争议。众所周知,周期空缺是基于已有激变变星的统计分布结果,而统计样本是否完备直接决定了该发现的真实性。2020年,Pala等人借助Gaia DR2数据确定的距离对150pc内的激变变星做了完备性的分析,得出已发现样本占比远远低于真实存在比例的结论。

  因此,要证明周期空缺是真实存在,而不仅仅是由观测统计上的选择效应造成仍然足够完备的激变变星样本。不仅如此,随着越来越多激变变星样本的发现,家族成员中一些极稀有的类型(例如AE Aqr)也被更多地被发掘出来,不断更新天文学家对激变变星的认知。由此,作为激变变星研究领域最为基础也是不可或缺的一部分,以各种方法在不同巡天中对激变变星家族成员的全面搜寻为天文学家们喜闻乐见。

  展望

  尽管激变变星的观测历史可追溯至2000年前,但是对它真正的研究历史不足200年。作为研究天体物理吸积过程的天然实验室,激变变星对研究致密天体并合过程有着得天独厚的优势。并且,由于激变变星在恒星领域身兼数职,推动这一特殊天体的研究无论是对于双星,还是变星的形成和演化研究都有非常积极的作用。

  当然,这些研究的进一步发展无一不需要对激变变星这一族群的物理和演化图景有更准确和更深刻的认知和理解 —— 路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

  作者简介:侯文,国家天文台助理研究员,从事Ae/Be恒星和激变变星的物理性质研究。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
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

  • 探访北京市密云区新农村中学安置点

  • 走进智利港口之城——瓦尔帕莱索

独家策划

推荐阅读
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强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
加载更多