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天眼FAST發現“跳華爾茲”的脈沖雙星

2020-02-21 15:25:44  來源:中國科普博覽

近日,中國科學家宣布利用我國五百米口徑球面射電望遠鏡(FAST;俗稱:“天眼”望遠鏡),在武仙座球狀星團(M13)中發現一顆脈沖雙星。相關論文即將發表在國際著名天文學刊物《天體物理學報》上。

截圖自https://arxiv.org/abs/2002.05938

截圖自https://arxiv.org/abs/2002.05938

這是FAST發現的第一顆脈沖雙星。

這一顆脈沖星還有三個關鍵詞:脈沖雙星,毫秒脈沖星,球狀星團脈沖星。

Part.1

它是一顆“脈沖雙星”

天文學上把兩顆挨得很近的恒星稱為“雙星”。

這里說的“挨得很近”有兩層意思,第一種情況是只是看起來挨得很近,而實際上兩者的空間距離很遠,沒有物理聯系,稱之為“光學雙星”;另一種是空間位置上就是挨得很近,兩者之間有物理聯系,會相互繞轉,稱之為“物理雙星”。

在脈沖星領域中,如果提到雙星,都是指物理雙星。脈沖星相關雙星系統又分為兩種:如果雙星中只有一顆是脈沖星,那就叫“脈沖雙星”;如果雙星系統兩顆星都是脈沖星,那就叫“雙脈沖星”。

動圖:脈沖雙星

動圖:脈沖雙星

FAST這次發現的是一顆處于雙星系統中的脈沖星。經過對這顆脈沖星多次觀測,天文學家估算出,和這顆脈沖星在一起的另一顆恒星應該是一顆質量大約為太陽0.16倍的白矮星。

Part.2

它還是一顆毫秒脈沖星

FAST這次發現的脈沖雙星,還是一顆毫秒脈沖星。

早在2018年FAST在伽馬射線源中發現一顆毫秒脈沖星的時候,我們就比較詳細地介紹過脈沖星的分類以及何為毫秒脈沖星。簡單地說,毫秒脈沖星是一類自轉速度較快且自轉速度較穩定的脈沖星。

目前公認的毫秒脈沖星誕生及演化理論認為,毫秒脈沖星形成于一個類似于跳“華爾茲”的過程:即處于雙星系統中的兩顆星星,長得胖的(即:主星)會先經歷超新星爆發,拋出自身一部分物質,此時如果它的“舞伴”(即:伴星)比較瘦弱就會被快速地踢出,同時雙星系統瓦解,而主星爆炸后留下部分會塌縮形成快速旋轉的中子星;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,與新形成的中子星繼續這段“華爾茲”直到生命的盡頭。

中子星南北磁極的輻射束如果能隨著自轉不斷地掃過地球,那就是我們所說的脈沖星。

 動圖:脈沖星星 在線閃燈

動圖:脈沖星星 在線閃燈

而處于雙星系統中的脈沖星,可以通過吸收伴星的物質而加速自轉,變成一顆毫秒脈沖星。

 中子星-白矮星和雙中子星雙星系統演化模型http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf

中子星-白矮星和雙中子星雙星系統演化模型http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf

需要注意的是,如果雙中子星系統中只有一顆表現為脈沖星,那該系統也是脈沖雙星,而非雙脈沖星。

Part.3

沒結束,它還是一顆球狀星團脈沖星

FAST這次的發現,是天文學家有意地在球狀星團中進行脈沖星搜尋而找到的。處于球狀星團中的脈沖星就是球狀星團脈沖星。

為什么要在球狀星團里面找脈沖星?這要先說說球狀星團是什么。

顧名思義,球狀星團就是球狀的星團。它們通常長成這個樣子:

這是望遠鏡看到的圖像。肉眼觀看的話,這些密密麻麻的恒星聚集在一個比滿月還小的天空范圍之內。

眾多的恒星被強大的引力束縛在一起,“擠”在一個球形空間中,而且越靠近中心,密度越高,這就是球狀星團。球狀星團中恒星的密度是我們周圍銀河系恒星密度的100至1000倍。目前,銀河系中發現的球狀星團超過150個,其中有30個左右是可以被FAST看到的。

球狀星團密集的恒星環境為脈沖星尋找和交換“舞伴”創造了非常有利的條件,因此更有可能產生雙星甚至多星系統。

對此,天文學家有很多問題想要了解,比如:

這樣一段段的“華爾茲”到底會將脈沖星的自轉加速到多快呢?

他們會找來什么樣的“舞伴”呢?

會不會有脈沖星找來好幾個“舞伴”一起來跳圓圈舞呢?

目前的觀測結果也為天文學家的各種猜想提供了有力佐證。

下面就是天文學家在球狀星團中發現的一些有意思的脈沖星系統:

1) 1991年Prince在球狀星團M15中發現了一個雙中子星系統。

2) 1999年Thorsett等人在球狀星團M4中發現了一個三星系統,分別為一顆脈沖星PSR B1620-26 ,一顆白矮星以及一顆質量接近木星的伴星。

3) 2006年荷蘭人Hessels在球狀星團Terzan 5中發現自轉最快的脈沖星PSR J1748-2446ad,每秒鐘轉716圈。

4) 2008年Freire等人在球狀星團M5中發現疑似目前為止質量最大的脈沖星PSR B1516+02b。

Part.4

發現這些“特別”脈沖星,有什么用呢?

天文學家預言,中子星最快的轉動速度大約為每秒鐘轉700圈。目前已知轉速最快的脈沖星,每秒鐘轉716圈,與理論預言相符。

但是,如果我們發現一顆轉的很快的脈沖星,比如每秒鐘轉超過1000圈甚至2000圈,那就對我們現在對中子星的理解提出了挑戰,是我們理解的不對,還是說此時的脈沖星已經不再是中子星,而是夸克星、夸克集團星或者其他什么奇怪的東西?

這些問題的答案,在真正發現這樣的脈沖星之前無從知曉。

但是唯一肯定的是,如果發現轉速遠超預期的脈沖星,那么我們對中子星物理狀態的理解將改寫。這將會是一個劃時代的發現。

而如果我們足夠幸運,看到一顆脈沖星在“交換舞伴”的活動中被一個恒星級黑洞捕獲,那將成為檢驗引力理論天然的理想實驗室。這或許會為愛因斯坦廣義相對論“屹立不倒”提供又一份有力的支持。

研究球狀星團脈沖星會幫助解答我們關于球狀星團自身的疑問。

處于球狀星團強大引力中的脈沖星可以成為直接研究球狀星團引力分布的有利工具,有希望證實球狀星團中心中等質量黑洞的存在;還可以通過測量球狀星團脈沖星的自行來推測星團自身的自行,從而得到球狀星團在銀河系引力中的運動軌道。另外,球狀星團脈沖星還可解釋星團中電離氣體、磁場分布以及星團內部恒星相互作用方式等。

Part.5

結語

2020年1月11日,FAST通過國家驗收正式上崗。相信未來FAST會幫助天文學家發現更多有意思的脈沖星,讓人類進一步掀開宇宙神秘的面紗。

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