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厦门日报:厦大团队宇宙级“追星” 发现“隐身”中子星
发布时间:2022年11月06日 来源:厦门日报

中子星“隐士”

大质量恒星

生命周期结束后

核心留下的

致密天体

在浩瀚的宇宙中,有一种一直被忽视的神秘天体——中子星。从学名上说,中子星是质量为8至25倍太阳质量的恒星结束其生命周期后核心留下的致密天体,中子星星族记录了大质量恒星的质量分布、演化历史、银河系金属增丰等关键信息,例如,有人认为,地球上的黄金有可能由中子星的碰撞产生。依据恒星演化理论,银河系中存在数十亿颗中子星。

在天体中,中子星是个小不点,它的直径一般只有二十公里左右,但它却拥有 “恐怖的密度”——一立方厘米的中子星就能达到上亿吨,等价于整个喜马拉雅山的质量。

随着科学技术的发展,天文学家们对于中子星的探究也如火如荼地开展着,他们希望通过中子星的演化来探究宇宙当中更深层次的问题——黑洞的来源,以及物质的极限压缩状态……

宁静态中子星

隐身宇宙

难以被探测

天文学家利用各种不同的方法来搜寻发现中子星。其中包括:高速旋转的中子星产生脉冲信号,被天文学家通过射电望远镜观测到(射电脉冲星);双星系统中致密天体吸积伴星的气体物质形成吸积盘,发出明亮的X射线,天文学家靠“看”来找到中子星;双中子星或黑洞中子星双星并合会发出引力波,天文学家靠“听”来找到它们。

但是,还有一些中子星是处于宁静态,既探测不到脉冲信号又没有发出X射线。这些宇宙中难以发现的、深藏不露的神秘天体,一直以来都是天文学家研究的热点和难点。

红矮星“伴舞”

红矮星被中子星强大的潮汐力拉扯成了水滴形状,围绕中子星公转,而随着这一公转过程,其在观测者视线方向的投影面积也会发生周期性变化,导致了亮度也发生周期性变化,形成了独特的椭圆调制现象。

▲“LAMOST黑洞猎手计划” 天博平台官网主要成员探讨课题。

中子星和红矮星伴星组成双星系统,每6.6个小时就会相互绕转一周,犹如在银河系中共舞的一对舞伴。

厦大物理科学与技术学院顾为民教授研究团队及其合作者们,采用全新方法,在距离地球约1037光年的银河系中发现了一颗特殊的宁静状态中子星。这颗深藏不露的中子星是被它的“舞伴”出卖的——它有颗大约为0.6倍太阳质量的红矮星的伴星,两个天体组成一个双星系统,每6.6个小时就会相互绕转一周,犹如在银河系中共舞的一对舞伴。

相关研究成果近日在线发表于《自然·天文》杂志。论文第一作者为天博平台官网天文学系伊团博士,三位共同通讯作者为天博平台官网天文学系教授顾为民、副教授孙谋远和中科院国家天文台研究员刘继峰。

此间评论认为,顾为民团队的研究成果打破了依赖于探测脉冲信号、X射线等来搜寻中子星这类致密天体的观测限制,为发现处于双星系统中的宁静态致密天体开创了新途径。

“LAMOST黑洞猎手计划” 大海捞针寻找隐身中子星

顾为民团队的研究成果就是找到发现宁静态中子星的全新方法。而他们的研究,要从“LAMOST黑洞猎手计划”说起。

“LAMOST黑洞猎手计划”是基于我国LAMOST望远镜(又称郭守敬望远镜)的时域巡天数据,去发现并测量更多的黑洞、中子星等致密天体。该计划由刘继峰在2019年发起,数十位“猎手”来自中科院国家天文台、中科院上海天文台、天博平台官网、南京大学、武汉大学等单位。

坐落在河北兴隆的郭守敬望远镜,是我国自主研发的主动反射式施密特望远镜,具有领先世界的恒星光谱获取率和大规模时域巡天的优势。它所发布的约2000万条恒星光谱数据,是国际上所有其他光学巡天项目发布恒星光谱数据总和的两倍。作为“猎手”的天文学家们要做的,正是解读这些海量的数据,从中挖掘“有趣的东西”。

顾为民说,在宇宙中搜寻这些宁静态的中子星或者黑洞,如同“大海捞针”。2018年,顾为民团队与刘继峰团队合作,开启利用LAMOST时域巡天数据,开展黑洞和中子星等致密天体搜寻的“大海捞针”之旅。

从3000多个到10余个 利用全新方法缩小搜索范围

在“猎手”们“大海捞针”前,要说说双星系统中隐身的致密天体。50年前,美国加州理工大学的Virginia Trimble和Kip Thorne(2017年诺贝尔物理学奖获得者)提出通过跟踪观测单线谱双星的光谱,来搜寻“塌缩星”(collapsed star;即黑洞)和中子星,即一个明亮的恒星和一个不可见的天体,可以组成一类特殊的双星系统“单线谱双星”。由于明亮的恒星在不可见天体(如宁静态中子星)的引力场中做周期性运动,其恒星光谱吸收线呈现周期性多普勒移动。根据光谱的多普勒移动,就可以计算双星的动力学并推测不可见天体的属性了。

顾为民团队研究的出发点正是从郭守敬望远镜工作团队得到的3000多个可能包含致密天体的单线谱双星。但是,3000还是太多了,如何利用有限的数据,进一步缩小目标范围?

顾为民提出了全新方法——利用相邻两次曝光的视向速度变化率,结合时域测光得到的光变曲线所暗含的轨道周期信息,来获取单线谱双星中不可见天体的质量下限。这个方法在将研究目标缩小至10余个的同时,还为发现一批致密天体候选源奠定了基础。

中子星被红矮星“出卖” 科研团队再现独特双星系统

在此基础上,研究人员发现了一个光谱不同于单星的特殊双星系统。“该双星系统由一颗0.6倍太阳质量的红矮星和一颗未被望远镜探测到的不可见天体组成,这个不可见天体极可能是一个致密星。”论文第一作者伊团博士介绍。

不过当时LAMOST望远镜对这个候选体只有3次连续曝光的光谱,难以给出一个科学可信的结论。

研究团队又利用美国帕洛玛天文台的5米海尔望远镜进行后随观测,并结合美国凌日系外行星巡天卫星(TESS)的高精度测光观测进行了进一步的分析和测定,从而确认该双星系统的致密天体是一颗质量约为太阳1.2倍的中子星。借助欧洲航天局的盖亚望远镜(Gaia)数据进行测距后,研究人员发现这个双星系统距离地球非常近,和地球相距大约1037光年。

伊团介绍说,该双星系统存在一种独特的现象——椭圆调制现象。因为中子星和它的“舞伴”红矮星相互距离比较近,中子星强大的潮汐力将红矮星拉扯成了水滴一样的形状。随着红矮星围绕中子星公转,其在观测者视线方向的投影面积也会周期性发生变化,导致了亮度发生周期性变化(椭圆调制现象)。正是因为解析了红矮星绕转中子星的视向速度变化,结合这种神秘的亮度变化,研究者得以深入重构系统的物理图像。

换句话说,这颗中子星是被它的舞伴“出卖”了。

更重要的是,该双星系统的中子星并没有在吸积红矮星上的物质,周围也没有吸积盘的存在,因此无法探测到明亮的X射线。研究团队利用“中国天眼”(FAST)对其进行了一个小时的射电观测,同样也没有观测到这颗中子星的脉冲信号。

这些都说明,这是一颗宁静态中子星,利用传统方法难以被发现。这是首例利用时域光学观测发现的中子星候选体。它的意义在于发现显示了使用时域光学观测来发现非吸积和无脉冲信号的宁静态中子星的可行性,为搜寻中子星打开了一扇新的窗口。

文/本报记者 佘峥 通讯员 曾文萃 图/厦大物理科学与技术学院 提供


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