一千光年之外,它们“邂逅”了

科学大院 2022-09-23 14:30


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雷神之锤是漫威电影中的著名武器,这样一个重量级神锤只有雷神才能挥舞,密度非常之大,大到只能是中子星级别的垂死之星才能造就。虽然是科幻电影中的故事情节,不过中子星的设定却很科学。


图片来源:电影《雷神》海报


何为中子星?它们在宇宙中是否常见,又以怎样的方式存在着?如何发现中子星,对于中子星我们了解多少?天文学家在揭示这些科学谜团的道路上不断前行一路收获。


北京时间2022年9月23日凌晨,国际科学期刊《自然﹒天文》发布了厦门大学顾为民教授带领的研究团队和中国科学院国家天文台刘继峰研究员带领的研究团队等人开展的LAMOST黑洞猎手计划的一项重要发现。


研究团队基于中国科学院国家天文台运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)的时域巡天数据,在距离我们约1000光年的银河系中发现了一颗特殊的宁静状态中子星


这颗中子星处于双星系统中,其伴星是一颗大约是0.6倍太阳质量的红矮星,如同一颗闪耀的“红宝石”默契地围绕在安静的中子星身边,在一千光年之外的星际空间周而复始地上演着美丽的双星之舞。


该中子星双星系统的艺术图,蓝色为中子星,红色的是其伴星红矮星

(绘制:喻京川)


恒星终章的中子星故事


恒星作为宇宙舞台上的主角,和人类一样,也要经历诞生、成长、衰老和死亡的生命历程。然而恒星出生时的质量大小及自身携带的化学元素含量基本上决定了它一生的命运。


如果一颗前身恒星的质量约为0.5倍~8倍太阳质量,也就是小质量和中等质量的恒星最终都会演化成白矮星,我们的太阳最终宿命也将会是一颗白矮星;如果前身恒星质量大约在8~25倍太阳质量,最后阶段发生剧烈的超新星爆炸后将演化成一颗中子星;如果恒星最初的质量更大,大于约25倍左右太阳质量,最终可能会坍缩成为一颗黑洞。


也就是说,中子星与白矮星、黑洞一起成为不同质量恒星生命的终章,妥妥的垂死之星“本星”。(点这里看恒星的一生


中子星是宇宙中引力超强密度极高的致密天体,一个指甲盖的大小就可能达到约20亿吨重,什么概念呢,如果把太阳压缩到直径为北京五环大小的球体内,这个球的密度约等同于一颗中子星的密度


恒星演化示意图

(图源:wiki)


上世纪30年代,中子星最早作为理论猜想被提出:如果一颗恒星演化到最后剩下的质量较多,多到最终的归宿不是白矮星,而是在巨大引力的作用下继续塌缩。在极高的压力和温度下,带正电的质子碰到带负电的电子结合成电中性的中子。就这样,整个庞大的星体就变成了密度极大且只有中子的独立世界——中子星。


但之后的30多年,天文学家一直未曾观测到中子星的存在,理论也没有被证实,更何况中子星的密度大得出奇,超出想象,在当时人们很难相信中子星的存在。


坐了30余年的冷板凳,中子星终于从一个理论猜想变成了能够被实际观测到的真实天体。1967年,英国科学家安东尼·休伊什教授和他的研究生乔斯林·贝尔发现了第一颗脉冲星。几位天文学家经过一年的努力,最终证实这就是一颗正在快速自转的中子星。这颗中子星的发现获得了1974年的诺贝尔物理学奖。


从上世纪60年代以来,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,天文学家靠射电波段的观测来捕获中子星;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。


而那些既探测不到脉冲信号又没有发出X射线的宁静态中子星与宁静态黑洞一样,都是宇宙中难以发现的、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


如何找到合适的方法发现这些宁静的中子星或黑洞,是天文学家研究致密天体家族及其物理性质的关键。


一眼千星的银河系邂逅


在浩瀚的宇宙中搜寻这些宁静态的中子星或者黑洞绝对是“大海捞针”,而在漫天星海中“大海捞针”正是我国首个天文类国家重点基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)的看家本领


四千光纤横扫苍穹,千万光谱探秘宇宙。LAMOST以其一眼千星的优势观星十一载,引领了国际大规模光谱巡天项目的发展,成为世界上首个发布光谱数据超千万量级的巡天利器。LAMOST的巡天优势为天文学家从致密天体的伴星光谱出发,通过监测伴星的运动和光度变化来找到含有宁静态中子星或者黑洞的双星系统提供了新的视角。


LAMOST与Gaia

(图源:LAMOST运行和发展中心)


2019年,国家天文台刘继峰与张昊彤等人曾利用LAMOST巡天优势发现一颗宁静的恒星级黑洞(点这里看这个黑洞),并开启了LAMOST黑洞猎手计划——利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法,发现一批深藏不露的黑洞和中子星。


厦门大学顾为民教授和伊团博士也是LAMOST黑洞猎手计划中的主要成员,他们从2018年以来一直利用LAMOST时域巡天数据在开展黑洞和中子星等致密天体的搜寻工作。


顾为民教授带领的团队从LAMOST低分辨光谱巡天中层层筛选出3000多个由于多普勒效应光谱谱线呈现显著周期移动的恒星,试图从这些可能是双星系统的样本中寻找恒星级黑洞候选体。


在反复细致的分析筛选过程中,伊团博士发现有一个天体的三条光谱上的吸收线(恒星光谱上由于恒星大气吸收产生的暗条纹)有明显的移动。这三条光谱是LAMOST在观测了大约一个多小时拍下的,但三条光谱的多普勒移动非常快,速度变化了270千米/秒,他们预测这应该是一个双星系统点这里复习双星系统知识)。


接着,利用美国帕洛马天文台的5米海尔望远镜对该系统进行了3个小时左右的后续观测,结果让他们异常兴奋,确信这个恒星的周期性运动和预测的一致,它应该在围绕另外一个未被望远镜探测到的不可见天体在运动。那它到底在绕“谁”运动呢?


为了进一步确认这个“神秘”天体的身份,顾为民教授领导的团队继续利用新获得的帕洛马望远镜数据,结合LAMOST已有的数据,以及美国的凌日系外行星巡天望远镜(TESS)分析发现:这个双星系统中,伴星是一颗大约0.6倍太阳质量的红矮星,没有被探测到的天体比其伴星质量还大,是一个大约1.2倍太阳质量的中子星候选体。


借助欧空局的天体测量望远镜(Gaia)数据进行测距发现这个双星系统距离地球非常近,位于大约1037光年之外的银河系内,被命名为LAMOST J112306.9+400736。


LAMOST在茫茫星河中撒下巡天大网,万千光谱中捕获这颗与众不同的特殊天体,加上美国帕洛马天文台海尔望远镜的共同追踪观测,才有了与这颗宁静态中子星的银河系邂逅。


星辰相守的宇宙级浪漫


茫茫天宇,耿耿星河,总会有两颗星相遇,因为相互吸引而围绕彼此旋转,演绎一段轰轰烈烈的双星爱情故事,这个中子星双星也不例外。


天文学家发现这颗“身穿红色舞衣”的红矮星作为伴星每过6.6个小时就会和她的“王子”——中子星“共舞”一周,循环往复,从不间断。


天文学家通过多波段的观测数据获知,该双星系统中的红矮星色球层活动比较活跃,并向外喷射出火焰状的日冕,如同镶嵌了耀眼的金边。(如下图所示)。由于中子星的强大魅力(潮汐力作用),作为其伴星的红矮星被“瘦身”成为了水滴状,活像一颗闪耀的“红宝石”默契地围绕在安静的中子星身边。远远望去,仿若一对共舞的“双星情侣”,中子星淡然自若,红矮星热情似火,在一千光年之外的星空中上演着宇宙级的浪漫。 


该双星系统的绕转示意图

(图源:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01766-0)


有趣的是,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。研究团队利用我国五百米口径球面射电望远镜(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,说明该中子星的脉冲信号不存在或者微弱到无法被探测,还可能是脉冲信号并未对着地球。换而言之,这是一个包含宁静态中子星的双星系统。


结语


我国光谱巡天望远镜(LAMOST)携手美国5米海尔望远镜(P200)、美国凌日系外行星巡天空间望远镜(TESS)和欧空局的天体测量望远镜(Gaia)以及我国500米球面射电望远镜(FAST),为发现和解析这颗非同一般的宁静态中子星发挥了非常关键的作用。


LAMOST领先世界的光谱获取率和大规模巡天的绝对优势使得天文学家可以利用视向速度监测方法来发现宁静的黑洞、中子星等致密天体,打破了依赖于寻找X射线等信号来搜寻致密天体的观测限制。


该方法为发现难以探测的宁静态中子星和黑洞起到了实质性推动作用,有望实现LAMOST黑洞猎手计划中批量发现黑洞和中子星的科学目标,从而为进一步研究恒星形成演化和中子星、黑洞等致密天体的性质和形成理论奠定了基础。


今天,科学技术与巡天利器为人类插上了翅膀,我们可以飞向广袤而深邃的星空,觅其所未见,探其所未知,吾辈之所幸也


参考文献:

[1] https://iopscience.iop.org/article/10.1086/375341

[2] https://www.nature.com/articles/s41550-022-01766-0

作者单位:中国科学院国家天文台 厦门大学 




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