中國天眼FAST助力科學家發現罕見掩食脈沖星

　　浩瀚銀河系內，大多數恒星成對出現，以雙星系統的形式共同演化。這一系統如何交互和演化，一直是天文學領域的前沿難題。

　　近期，中國科學院國家天文臺研究員韓金林帶領的科研團隊利用靈敏度極高的中國天眼FAST，發現了一個罕見的毫秒脈沖星。這顆脈沖星與其伴星以3.6小時的周期相互繞轉，并且有1/6的時間被伴星遮擋。天文學家把這種現象稱為“掩食”，類似日食、月食。

　　相關研究成果5月23日發表于《科學》。科學家認為，這一發現對恒星演化理論、致密星吸積物理和雙星并合引力波源研究具有重要意義。

　　缺乏觀測證據的雙星演化理論

　　對于雙星系統，天文學家一直討論它們在“公共包層”里如何演化。

　　科研團隊介紹，這一過程一般發生在雙星系統中質量較大的那顆恒星塌縮成密度極高的中子星或黑洞等致密星后。此時，質量較小的伴星繼續演化。“這顆伴星在演化時，其物質會被致密星吸積。伴星會因為質量流失而膨脹，甚至把致密星‘攬入懷中’，一起在公共的氫元素包層中繼續演化，持續約1000年。”韓金林表示。

　　這一過程中，具有強引力的致密星會繼續“貪婪”地吸積伴星的物質，加快其自轉。同時，致密星與伴星相互繞轉的過程，會把公共的氫包層全部“吹散”，只留下伴星中心燃燒的內核。這時的伴星主要靠燃燒的氦元素發光，溫度有幾萬攝氏度。

　　千年之后，如果伴星的主體沒有被致密星破壞，雙星最終留下快速自轉的致密星與致密星的高溫氦核，在非常緊密的軌道上相互繞轉。

　　令人遺憾的是，這類特殊致密星加氦星的雙星系統“可遇不可求”——它們不僅存活時間短，數量也很少。

　　科研團隊介紹，它們在宇宙中的存活時間僅約1000萬年，對于138億年的宇宙而言，如同夜空中稍縱即逝的流星。同時，銀河系千億顆恒星中，這樣的系統在銀河系中僅有幾十個。

　　所以，這樣的雙星系統很難被觀測到，使得公共包層演化理論長期缺乏直接觀測證據的支持。

　　FAST發現新奇現象

　　中國天眼FAST的靈敏度極高，是發現脈沖星的利器，對處于極短周期軌道的脈沖星更為敏銳。

　　2020年5月，韓金林帶領團隊利用FAST對銀河系進行脈沖星深度搜索時，發現了一顆自轉周期為10.55毫秒的毫秒脈沖星PSR J1928+1815。

　　2020年11月，科研人員利用FAST進行了幾次后隨觀測，證實它處于一個半徑僅50萬公里的致密軌道，相互繞轉的軌道周期僅為3.6小時。它與伴星相互繞轉時，有大約1/6的時間被伴星遮擋。

　　與此同時，科研人員推測，這顆伴星的質量至少有1個太陽那么重，遠超一般掩食脈沖星的伴星，但狹小的軌道根本容不下一個像太陽這樣的恒星。

　　種種證據表明，這顆脈沖星不同尋常。

　　研究團隊推斷，這一伴星不是普通恒星，也不是演化后的致密伴星，而是經歷過公共包層演化的氦星。同時，脈沖星信號的掩食也是由氦星甩出的星風物質遮擋引起的。

　　帶來多方面突破

　　在最新發表的論文中，科研人員確認，這一雙星系統就是雙星公共包層演化階段后處于致密軌道的特殊雙星。

　　這令學者們感到振奮，是天文學家尋求已久的公共包層演化理論的觀測證據。

　　韓金林指出，這一罕見天體的發現可以為天文學研究帶來多方面的突破。

　　“這項發現有助于完善和深化我們對雙星演化具體過程的理解，比如兩顆星如何靠近引起軌道收縮、兩顆星之間如何進行物質交流、中子星的自轉如何加速到幾毫秒、公共氫元素包層如何被致密星吹散，等等。”韓金林表示。

　　同時，進一步對這一雙星系統開展研究，有望揭開致密星在公共包層里短時間吸積、散熱之謎。科學家認為，新發現的這一雙星系統還可能為“中微子散熱機制理論”提供重要例證。

　　此外，新發現的稀有雙星可以演化為引力波源，為致密雙星并合和引力波的產生機制提供新的限制條件。

　　論文審稿人之一、美國國家射電天文臺的脈沖星雙星專家Scott Ransom對這項研究給予了高度評價。“這個獨特的致密雙星系統具有極高的科學價值，有望加深我們對雙星演化中公共包層階段的認識。”

　　Ransom同時指出，這項研究成果還可以在恒星群體演化、引力波源預測、雙星和恒星演化過程、深度光學/紅外的氦星觀測等方面引導出諸多有趣的研究課題。

　　相關論文信息：http://doi.org/10.1126/science.ado0769