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:“与精灵共舞”之白矮星双星
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

“与精灵共舞”之白矮星双星

来源:光明网2021-06-22 09:51

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  “夜空中的迷你精灵” ——白矮星

  夜空中镶嵌着形形色色的恒星,它们的质量、大小、光度、年龄都不尽相同,堪称几代同堂。年年岁岁花相似,岁岁年年“星”不同,天上的恒星也在随时间而演化,只不过这种演变的时间尺度非常长。恒星在演化晚期的死亡阶段,因能源耗尽而引力坍缩为个头非常小的高密度天体,即致密星,主要有白矮星、中子星、和黑洞三类。

  恒星死亡时以何种致密星的形式而存在,主要取决于其质量。白矮星是质量小于8~10.8M⊙的主序星死亡后的产物,而大多数恒星的质量在约0.1到10 M⊙之间,这意味着97%的恒星会演化为白矮星。因此,白矮星也是银河系中较为普遍的天体之一。

  与正常恒星相比,白矮星是电子简并矮星,其典型特点是密度高(~106 g/cm3)、半径小(~10-2R⊙)、光度低、表面温度高。如果用白矮星这种高密度的材料做一块方糖,重量就相当于一辆小汽车!类似太阳这样的恒星,演化成白矮星后的质量大约为0.6 M⊙,而体积却仅有地球那么大。

  白矮星内部的电子简并压力与引力抗衡,从而维持白矮星稳定的结构,白矮星的质量和半径之间存在关系R∝M-1/3,即白矮星的质量越大,体积反而越小。

  因此,白矮星的质量存在一个上限。1935年,钱德拉塞卡计算得出了白矮星的极限质量为1.44 M⊙,称为“钱德拉塞卡极限”。钱德拉塞卡也因此获得了1983年的诺贝尔物理学奖。由于白矮星的上述种种独特性和神秘性,它一直都是天文学家非常感兴趣的天体。

“与精灵共舞”之白矮星双星

图1. 白矮星与其它天体的大小对比图 (图源:https://www.skymarvels.com/infopages/scalemain.htm)

  “与精灵共舞” ——白矮星双星

  天空中多数恒星都不是孤孤单单存在的,而是位于双星系统亦或多星系统中,白矮星也不例外。历史上第一颗被发现的白矮星就是位于三星系统中。第二颗被发现的白矮星(天狼星B)是位于双星系统中,它的主星是夜空中最亮的恒星——鼎鼎有名的天狼星A。

  一直到1917年发现的第三颗白矮星(范马南星)才是一颗真正孤独的白矮星,即第一颗不是从多星系统中发现的白矮星。由于双星演化可以幻化出许多有趣的天体和现象,而白矮星本身又极其独特和神秘,因此含有至少一颗白矮星的双星即白矮星双星,也自然成了非常吸引天文学家的特殊天体。

  “缘起缘灭” ——白矮星双星的前世来生

  白矮星双星的前身是主序星双星。大多数(约四分之三)的主序星双星属于宽距双星系统,两子星各自像单星一样独立演化,不发生交互作用。其余约四分之一的主序星双星则是密近系统,其演化会受到双星交互的影响。

  当两子星中质量较大的那颗演化到巨星或渐近巨星支阶段时,会经历动力学不稳定的质量转移,从而进入公共包层阶段。当公共包层抛射出去后,可能形成一个密近的后共包层双星,即包含一颗致密天体(通常为白矮星)和一颗主序星的白矮星双星系统。

  通过由磁制动和/或引力波辐射驱动的角动量丢失机制,这种密近的白矮星+主序星组成的后共包层双星会进一步演化,依赖于恒星质量和轨道间距,可能会经历第二个公共包层阶段,从而形成双白矮星或白矮星+氦星组成的双星系统;亦或进入一个半相接阶段,形成激变变星或超软X射线源等。

  这些天体还有可能进一步通过单简并渠道(白矮星从伴星吸积)或双简并渠道(双白矮星并合)爆发为Ia型超新星(简写为SN Ia)从而为其“星命”的结束划上绚丽的句号。

“与精灵共舞”之白矮星双星

图2. 密近白矮星双星的形成和演化简图(图源:Toloza et al. 2019)

  而SN Ia是宇宙学尺度上非常重要的距离探针,通过SN Ia测距发现宇宙加速膨胀从而揭示出暗物质和暗能量存在的研究成果,还获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

  另外,SN Ia在星系化学演化方面也发挥着很重要的作用。尽管它在天文学中地位显赫,但是目前关于SN Ia的形成却尚不清楚,对其前身星的认识仍很缺乏,这直接影响了SN Ia的测距精度并阻碍精确宇宙学的发展。

  而作为SN Ia众多前身星之一的白矮星+AFGK型主序星双星(简写为WD+AFGK)因其数目较多、无正在进行的吸积过程、只经历过一次公共包层演化、可同时用于研究SN Ia的多种形成模型等诸多优点而受到观测天文学家的青睐,被优选来研究SN Ia的形成。

  此外,WD+AFGK双星还可以用于研究双星演化中非常重要却仍知之甚少的公共包层演化阶段。因此,从观测上获得一个大样本的WD+AFGK双星势在必行。

  “谋后而定,行且坚毅” ——雄心勃勃的白矮星双星巡天项目

  搜寻WD+AFGK双星并不容易,在光学波段白矮星与其AFGK主序星亮度差异巨大,白矮星的亮度通常仅为其主序星伴星的约百分之一,完全被其掩盖。且此前已有的巡天项目(如SDSS)缺乏大样本的有紫外数据的亮AFGK星,这些都导致WD+AFGK的搜寻工作异常困难。历史上已发现的WD+AFGK双星仅有约100颗,且多数还是宽距系统。

  近年来,我国天文学家和国际天文学家联合启动了一个极具挑战的白矮星双星巡天观测研究项目(White Dwarf Binary Pathways Survey),旨在从观测上获得一个大样本的WD+AFGK双星,并进一步找出其中的密近系统,测量其恒星参数和轨道周期,从而预测其未来的演化(用于研究SN Ia的形成)并重构其过去的演化(限制公共包层演化)。

“与精灵共舞”之白矮星双星

图3. LAMOST/RAVE/Gaia巡天望远镜简图(图源:LAMOST/RAVE/Gaia官网)

  该国际研究团队克服重重困难,采用有效温度-紫外颜色选择法目前已从LAMOST/RAVE/Gaia巡天数据中累计获得了近3000颗WD+AFGK双星,使其数目翻了近30倍。其中,几乎一半是从我国LAMOST巡天数据中搜寻出的。

  搜寻出大样本的WD+AFGK双星还只是万里征途的第一步,更为重要的是找出其中的密近系统并测量出恒星参数和轨道周期,为了保证最终科学目标的实现及该巡天项目的顺利实施,研究团队计划了周密的方案逐步施行:

  搜寻出大样本的WD+AFGK双星:如前所述,这一步已成功实现;

  进一步搜寻出密近WD+AFGK双星:对获得的大样本WD+AFGK中较亮的目标源(通常选择亮于13星等的)开展高分辨率光谱观测(分辨率高于20000,以尽可能探测出轨道周期较长或轨道倾角较小的密近系统),获得分布在不同观测夜的至少两条光谱,测量视向速度变化,有较大视向速度变化的即为密近系统候选体,目前研究团队已识别出近100颗密近系统,初步实现目标;

  测量密近WD+AFGK双星的轨道周期和恒星参数:对上一步中探测出的密近系统进一步开展密集的后随高分辨光谱观测获得视向速度变化曲线并测量出轨道周期和恒星参数等,目前正如火如荼地开展中,已完成部分目标的轨道周期等参数测量;

  实现终极科学目标:基于测量出的轨道周期等参数,预测这些密近WD+AFGK双星未来的演化,来检验SN Ia的多种形成模型;并重构它们过去的演化,来研究双星演化中非常重要的公共包层演化阶段,检验公共包层抛射效率对伴星质量的依赖情况。

  这些都意味着该巡天项目必将需要一系列繁重的后随观测,近年来该研究团队已集结了国内外数十台望远镜开展后随观测任务。其中包括江湖上声名远播的哈勃空间望远镜(用于获得紫外波段光谱)。我国的2.16米光学望远镜(用于获得高分辨率光学光谱)和兴隆基地小望远镜(用于获得光变曲线)也都在该项目中发挥着举足轻重的作用。

  数年的时光流逝,其中蕴含了无数个不眠的观测之夜及繁琐的数据处理分析,值得欣慰的是在团队成员的共同努力下,该项目目前进展顺利,系列成果的前五篇已发表在国际知名天文学期刊上,并获得国际同行高度评价,称赞这是一个重大且重要的研究项目。前路依然漫漫,让我们一起期待后续的研究成果陆续出炉。修天文如修心,忘却世间营营,夜空中的星辰让我们内心安宁。

  作者简介:任娟娟,中国科学院国家天文台星云计划副研究员,主要从事白矮星双星、银河星云、空间光学天文数据处理方法等方面的研究工作。

  文稿编辑:蔡琳、赵宇豪

[ 责编:涂子怡 ]
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

  • 赴西部,时代青年新舞台

  • 地质灾害防治·北京在行动

独家策划

推荐阅读
近日,四川乐山一小伙感觉身体不适独自乘出租车前往医院就诊,途中开启“超强自救”模式:联系妈妈告知情况、打110报警求助、打120告知医院准备急救。如果长期处于焦虑引起的躯体化障碍状态,患者会反复出现头痛、心慌、呼吸急促、胃肠紊乱、肢体疼痛、睡眠问题等。
2025-07-02 10:06
使用人工智能大模型时,不少人或许都遇到过类似问题:它们有时会捏造细节,甚至“一本正经地胡说八道”。当“喂给”大模型的训练数据包含虚假信息时,它就会产生“幻觉”、给出错误答案。
2025-07-02 10:05
中国国际航空公司所属的国产C909客机平稳降落在蒙古国乌兰巴托成吉思汗国际机场,标志着国航首条C909国际航线正式开通。早8时许,这架C909客机从呼和浩特起飞,经过1个多小时飞行抵达乌兰巴托。
2025-07-02 10:03
农业是国民经济的基础,农业领域形成新质生产力是国民经济形成和发展新质生产力的基础和“底盘”。 农业新质生产力是通过提升劳动者素质、优化劳动资料和创新利用劳动对象,实现全要素生产率的显著提高。
2025-07-02 10:01
团队基于卫星遥感数据构建了1988年至2021年青藏高原30米分辨率人工草地数据集,明确了青藏高原主要的人工草地类型及其时空分布特征,并揭示了青藏高原人工草地的迅速扩张及其驱动机制。
2025-07-02 09:59
屠光绍认为,金融机构在应用人工智能时必须在服务投资人与消费者之间寻求平衡,避免AI鸿沟,坚守金融服务大众的初心。鲍建敏倡导构建产学研深度融合、开放共赢的人工智能金融生态体系,搭建跨机构、跨领域的协同创新平台。
2025-07-01 10:13
6月30日,2025温布尔登网球锦标赛在英国伦敦拉开大幕,引发球迷关注。在草地球场,球的速度更快且弹跳不规则,比赛回合较短,发球就成为球员们的重要“武器”。红土球场并不是天然土壤,而是分层分布着碎砖粉、白色碎石灰石、碎石等。
2025-07-01 10:09
7月1日起,医保定点医药机构在销售药品时,必须按要求扫药品追溯码后方可进行医保基金结算;2026年1月1日起,所有医药机构都要实现药品追溯码全量采集上传。步,进入国家医保局微信公众号主页,点击服务、药品追溯信息查询,进入查询页面;或进入国家医保局微信公众号消息对话页,点击医保服务、药品追溯信息查询,进入查询页面。
2025-07-01 10:09
记者从国家航天局获悉,7月1日,该局发布行星探测工程天问二号探测器在轨获取的地月影像图。(国家航天局供图)  月球全色图,由天问二号探测器的窄视场导航敏感器于2025年5月30日15时拍摄,经辐射校正处理后制作而成。
2025-07-01 10:08
龙芯中科近日正式发布基于国产自主指令集龙架构研发的服务器处理器龙芯3C6000系列芯片、工控领域及移动终端处理器龙芯2K3000/3B6000M芯片以及相关整机和解决方案。
2025-07-01 10:06
四大家鱼,即青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼,是我国重要的经济鱼类,占淡水鱼类养殖总量的“半壁江山”,尤以长江流域所产鱼品质最优。但人工养殖久了,鱼类品质逐渐下降,需要捕捞野生鱼种来更换,确保鱼类种质“基因库”稳定。
2025-06-30 04:50
FAST如今每天观测时长接近24小时,每年总观测时长超过5300小时,持续不断地为科学家提供宝贵的数据。
2025-06-30 09:52
华南农业大学积极探索应用大数据、人工智能等技术加速育种创新,“华航香银针”就是创新成果之一。
2025-06-30 09:51
在近日落下帷幕的第十五届全国周培源大学生力学竞赛中,一位特殊的“考生”吸引了人们目光。
2025-06-30 09:51
6月29日,在海南文昌卫星超级工厂项目建设现场,各方正全力以赴加快工厂投产进程。
2025-06-30 09:51
作为一所工科见长的大学,近年来,山东科技大学涌现出一批热衷文化艺术的学生:材料学院研究生庄英赞受邀参加《声声入戏——中央广播电视总台首届京剧票友大会》节目;
2025-06-30 04:50
今年“三夏”生产,该农场配备无人驾驶系统的收割机和拖拉机、气吸播种机、精准水肥轮灌系统、自动巡田无人机等智能化装备大显身手。
2025-06-27 10:25
6月24日,国家重大科研仪器研制项目“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”(WeHoST)在四川稻城启动建设配套项目,预计2027年望远镜完成装调并投入试运行。
2025-06-27 10:24
古生物研究表明,包括早期犬齿兽在内的一些远古动物,脑袋为一个没有左右脑半球区分的整体,而现生哺乳动物和典型的进步颌兽类则有左右两个脑半球。
2025-06-27 10:18
6月26日21时29分,经过约6.5小时的出舱活动,神舟二十号乘组航天员陈冬、陈中瑞、王杰密切协同,在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下,圆满完成既定任务。
2025-06-27 10:17
加载更多