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比太阳还重的天体,被压缩在直径不到30公里的空间内,会是怎样的存在?

它,就是宇宙中一种能量“爆表”的神秘天体——中子星,其直径一般只有20公里左右,是质量为8至25倍太阳质量的恒星“死亡”后核心留下的致密天体。

近日,厦门大学天文学系教授顾为民的研究团队及其合作者,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,它还有一颗约为0.6倍太阳质量的红矮星伴星。两个天体组成一个双星系统,每6.6小时相互绕转一周,犹如一对翩翩起舞的伙伴。这项研究成果日前发表在国际权威的天文刊物之一的《自然·天文》上。

被“舞伴”出卖的中子星

1967年,当第一颗中子星同时也是第一颗脉冲星被探测到时,曾被误以为是外星人发来的信号。随着更多的中子星被探测到,天文学者发现,一些中子星表面存在强大的磁场,或通过吸积周围物质产生剧烈的X射线辐射。

宇宙级“追星”!厦大科研团队揭开神秘天体面纱

由论文第一作者、厦门大学天文学系伊团博士绘制的单线谱双星系统 受访者供图

“也因此,通常通过射电或X射线观测就能搜寻到这些中子星。”顾为民解释道。中子星记录了大质量恒星的质量分布、演化历史、银河系重元素增丰等关键信息。“比如,黄金可能主要来源于中子星的碰撞。”

可是,有一类中子星颇为低调。它不会发射射电脉冲,也没有吸积物质产生高能辐射。因为不可见,现有的技术手段无法探测到它。

“但它的‘舞伴’会‘出卖’它。”顾为民说。

他解释说,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”,恒星在不可见天体的引力场中做周期性运动,如同一对“舞伴”。根据光谱的多普勒移动,能推断出它们的属性,搜寻“塌缩星”(即黑洞)和中子星。

“光谱能够揭示天体的运动状态、温度、质量和化学成分,就像它们的‘身份证’。”顾为民说,但此法有一定的局限性,需要捕捉到被测天体的多达十余次甚至几十次的重复曝光的光谱数据。

如果被测天体只有2至5次连续曝光的光谱呢?

这样的天体大量存在于LAMOST望远镜(又称“郭守敬望远镜”)所发布的恒星光谱数据中。

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。

宇宙级“追星”!厦大科研团队揭开神秘天体面纱

郭守敬望远镜 资料图片

“如同一条盛产黄金的河流,这个数据库是所有天文学者的‘猎场’,但许多天体的曝光光谱有限,只能先被‘晾在一旁’,如同璞玉等待着被挖掘。”顾为民说。

2019年,论文的共同通讯作者之一、中科院国家天文台研究员刘继峰发起“LAMOST黑洞猎手计划”,团队由中科院国家天文台、厦门大学、南京大学、中科院上海天文台、武汉大学等跨院校研究组的数十名成员组成。他们的目标,是基于LAMOST望远镜的时域巡天数据,发现并测量更多的黑洞、中子星等致密天体。

顾为民潜心天体物理的理论研究已有20余年,在“LAMOST黑洞猎手计划”启动的前一年,他从理论转向实地观测天体,率先提出了一个新方法——

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。

“如同400米跑步,一圈下来仅捕捉到三个位置的运动速度,但也值得推测是否能被研究。”顾为民说,这个方法能估算出不可见天体质量的最小值,从而确定它是否为中子星候选体。

宇宙级“追星”!厦大科研团队揭开神秘天体面纱

顾为民在帕洛玛天文台开展观测工作。 受访者供图

在近半年的时间里,顾为民团队在电脑屏幕前日日守到深夜,在3000多个可能包含致密天体的单线谱双星中寻找目标,犹如沙里淘金。最终,他们不仅将研究目标缩至10余个,还为发现一批致密天体候选源奠定了基础。

一次“孤注一掷”的观测

不过,10余个“候选金子”每个仅有2至5次连续曝光的光谱,仍难以给出一个科学可信的结论。

进一步研究,团队终于注意到了一个双星系统。“它是由一颗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天体。”顾为民说。

需要增加观测次数,收集足够多的数据,方能揭开神秘天体的“面纱”。

通过“竞标”,顾为民团队获得了美国帕洛玛天文台海尔5米望远镜两个晚上的观测时间。经过半年的等待,2019年3月,顾为民与厦大天文系王俊峰教授抵达帕洛玛天文台,准备对数个双星系统进行时域光谱观测。

谁知天公不作美,帕洛玛山连续下了多日大雪,第一个晚上鹅毛大雪仍下不停,空气湿度过大,观测机会打了水漂。

第二天,雪停了!两人来不及欢呼,急着调整观测计划。“与400米长跑相比,50米的时间更短。只剩一个晚上,我们决定孤注一掷,将观测的重点放在一个轨道周期短的目标上。”顾为民说。

这正是后来发现的双星系统中的那颗中子星。

此后,结合美国凌日系外行星巡天卫星(TESS)的高精度测光观测,这颗天体的“面纱”终被揭开:该双星系统中不可见伴星的质量约为1.24倍太阳质量,可能是中子星或极大质量白矮星。团队又对双星系统的紫外光学能谱进行仔细分析,未发现来自白矮星的紫外辐射,因而推断该伴星是一颗中子星。

这是天文学界首例利用时域光学观测发现的中子星候选体。

值得一提的是,就在不久前,利用时域光学观测,顾为民团队发现了另一个处于宁静态的中子星候选体与类太阳矮星组成的双星系统,该系统距离地球约400光年,这是目前人类已经发现的包含中子星的双星系统中距离地球最近的一个。相关结果已在科研论文预印本网站arXiv.org上公布,正式论文即将投稿。

顾为民说,这两颗宁静态中子星的发现,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,为搜寻更多神秘天体打开了一扇新的窗口。(记者 林霞)

责任编辑:庄婷婷

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