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FAST在球狀星團中發現一個脈沖雙星系統

來源:光明網2020-03-27 17:52

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  經過將近兩年的觀測研究,中國科學院國家天文臺研究人員使用“天眼”望遠鏡FAST,在武仙座球狀星團中發現了一個脈沖雙星系統,并通過脈沖星計時觀測證認了這個雙星系統由一顆脈沖星與一顆白矮星組成。

  這是FAST發現的第一個脈沖雙星系統,也是FAST首次發布脈沖星計時觀測研究結果。研究人員同時研究了這個球狀星團中的其他5顆脈沖星。首次測量出其中3個脈沖雙星的軌道橢率,并發現這個球狀星團有點特殊。

  我們的天眼究竟看到啥好玩的東西了?讓我們一點點來說說。

  球狀星團

  所謂“星團”,就是恒星聚集成的小集體。星團可以分為兩類:一類是少量的恒星組成比較松散的集體,叫“疏散星團”;

FAST在球狀星團中發現一個脈沖雙星系統

著名的昴星團是一個典型的疏散星團(圖片來源:https://apod.nasa.gov/apod/ap161019.html)

  一類是大量恒星聚集在一個球狀區域中組成的“球狀星團”。

FAST在球狀星團中發現一個脈沖雙星系統

本文主角之一,著名的武仙座球狀星團(圖片來源:https://apod.nasa.gov/apod/ap120614.html)

  不要看著圖片覺得這些星團很大,實際肉眼觀看的話,這些星團在夜空中都顯得很小。有多小呢?伸長你的手臂,豎起食指,這些星團在夜空中大多比你這一個指甲蓋還小。

  球狀星團有兩個重要的特點,一個是恒星的密度很大。這點我們從上面的圖片中也能直觀地看出來。另一個是球狀星團年齡比較大。這兩個特點,導致了在球狀星團中容易產生脈沖星,并且容易產生一些比較好玩的脈沖星。

  球狀星團脈沖星

  球狀星團里面的脈沖星,我們簡單地稱之為“球狀星團脈沖星”。天文學家起名字就是這么的樸實無華。球狀星團里那么多的恒星,發現幾顆脈沖星不算啥大事。比如在球狀星團Terzan 5中,科學家就已經發現了38顆脈沖星。

  按照脈沖星的命名規則,脈沖星是根據其在天空中的位置命名的。球狀星團Terzan 5的坐標大概是赤經17時48分,赤緯-24度46分,那它里面的脈沖星就應該叫PSR J1748-2446。但是這球狀星團的脈沖星太多了,總得區分一下。于是天文學家就約定,這球狀星團里面發現的第一顆脈沖星叫PSR J1748-2446A,第二顆叫PSR J1748-2446B,第三顆叫PSR J1748-2446C……等26個字母用完了,就叫PSR J1748-2446aa,PSR J1748-2446ab,PSR J1748-2446ac……

  FAST此次發現的是武仙座球狀星團(根據著名的梅西耶天體表,通常稱其為M13)中第六顆脈沖星,所以它的名字就叫PSR J1641+3627F,或者M13F。M13F這顆脈沖星有兩個比較特殊的地方:它是一顆毫秒脈沖星;它與一顆白矮星相互繞轉,構成一個雙星系統。而這兩個特點,正是很大程度得益于球狀星團獨特的環境。

  球狀星團中的“華爾茲”

  目前已知的156157顆球狀星團脈沖星中,有超過9590%是毫秒脈沖,有近60%處于雙星系統中。這個比例遠遠高于銀盤中的脈沖星。球狀星團能夠孕育出如此之多的特殊脈沖星絕非偶然。球狀星團中恒星密度比銀盤上高幾個數量級。如此致密的恒星環境更有利于恒星產生相互作用,甚至發生碰撞。毫秒脈沖星及雙星系統的演化,猶如一曲優美的“華爾茲”,而球狀星團脈沖星則為這曲華爾茲增添了更多華麗的舞步。

  ? 當舞曲奏響那一刻,雙星系統中長得胖的(主星)會先經歷超新星爆發,拋出自身一部分物質。如果此時它的“舞伴”(伴星)比較瘦弱,就會被快速地踢出,同時雙星系統瓦解。而胖星星留下部分會塌縮形成快速旋轉的中子星。如果這顆中子星磁極發出的輻射剛好能掃過地球,那就是脈沖星。中子星磁極發出的輻射隨自轉不停地掃過地球,即為我們觀測到的脈沖星。

FAST在球狀星團中發現一個脈沖雙星系統  

(圖片來源:http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/)

  ? 如果伴星的“體重”足以抵御超新星爆發產生的沖擊,就會留在之前的雙星系統中與脈沖星繼續這段華爾茲。這個正常的脈沖星會通過吸積伴星物質使自己自轉加速從而變得越來越不正常,最終加速成一顆毫秒脈沖星。如果伴星質量較小,有可能最終演化成為一顆白矮星。這時我們的雙星系統就變成像M13F這樣的脈沖星—白矮星雙星系統。如果伴星質量較大,也有可能發生超新星爆炸而留下一顆中子星。這次超新星爆炸可能導致兩種結果:一種是兩顆中子星各奔東西;另一種是兩顆中子星繼續這段華爾茲,成為一個雙中子星系統。

FAST在球狀星團中發現一個脈沖雙星系統  

毫秒脈沖星及脈沖星相關雙星系統演化示意圖(原圖來源:http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf)

  在恒星密集的球狀星團中,“單身的”脈沖星更容易找到舞伴。有了舞伴,脈沖星才能通過吸收伴星物質而加速。而對于正在跳雙人華爾茲的雙星們,球狀星團為它們創造了更多交換“舞伴”的機會。 這一過程會使原有雙星系統瓦解,或迎來一場脈沖星獨舞表演,亦或形成新的雙星華爾茲甚至多星圓圈舞。

  橢圓舞曲

  雙星跳舞轉圈圈的時候,轉的是一個橢圓。天文學家們分析,如果雙星在繞轉過程中受到的其他恒星的干擾,會導致雙星繞轉的這個橢圓變得更“橢”一些。進一步分析我們可以知道,在銀河系一般區域中,恒星密度比較低,這里的雙星受到其他恒星干擾的概率比較小,繞轉的橢圓就會比較圓;在球狀星團中,恒星密度大,這里的雙星受到其他恒星干擾的概率就大,繞轉的橢圓會因為多次的干擾而變得更橢。不同的球狀星團,其恒星密度不盡相同,如果我們前面的分析成立,那么是不是恒星密度大的球狀星團,它里面雙星繞轉的軌道就會更橢;而恒星密度小的球狀星團,它里面雙星軌道就接近銀河系其他地方的雙星軌道會不會,比高密度球狀星團脈沖星顯得更圓呢?

  FAST的這個研究,首次測量出M13中4個脈沖雙星系統(包括我們剛發現的這個)的軌道橢率,發現確實是跟接近于銀河系其他地方的雙星軌道橢率。也就是說,證明了天文學家此前的猜想是對的。

  未來可期

  FAST此次發現,以實實在在的結果證明了FAST不僅有能力尋找到未知的脈沖雙星,還能做出比其他望遠鏡更好的觀測,測量出更多別人測量不到的參數。

  未來我們還將繼續利用FAST做更多的關于球狀星團脈沖星的研究。我們最期待的結果之一,就是能在球狀星團這一特殊環境中,發現更極端的雙星系統,比如目前尚未發現的脈沖星—黑洞雙星。如果能發現這樣的雙星系統,將為我們進一步研究廣義相對論和超高密度條件下物態提供幫助。(王琳、喻業釗)

  作者簡介:王琳, 中國科學院國家天文臺天體物理專業在讀博士研究生,博士課題為球狀星團脈沖星;喻業釗,中國科學院國家天文臺天文技術與方法專業博士。黔南民族師范學院天文學副教授。主要研究方向為射電脈沖星。

[ 責編:趙宇豪 ]
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