钱声帮团队在双星研究方面获系列进展

来源：云南大学物理与天文学院2024-12-12 11:12

　　双星中两子星间的物质转移和吸积与公共包层演化，不仅是产生特殊天体物理现象的源泉，同时也是形成奇特天体的重要场所。最近，钱声帮教授团队在双星研究方面取得了系列研究进展：发现首例绕行星状星云中心热亚矮星双星转动的褐矮星；发现质量比最低的B型分离双星；提供了倾斜吸积盘进动是导致激变双星负超驼峰现象的关键证据，并新发现了一颗仙女座IW型激变双星表现出多种循环变化模式。相关研究结果分别于2024年9月、10月和11月在国际学术期刊美国《天体物理杂志》（The Astrophysical Journal）上发表。

　　行星状星云（PNe）由恒星晚期演化阶段抛射出的物质组成，环绕着处于演化末期的恒星（如图1（上）（左）所示）。这些天体不仅以其迷人的外观吸引了无数天文爱好者的目光，更为科学家们提供了探究恒星死亡过程及其最终命运的独特窗口。一些行星状星云的中心是由一颗极为炽热的亚矮星和一颗较冷的晚型小质量伴星组成的密近双星系统。热亚矮星是一类非常罕见且极端的天体，它们是核反应燃烧的氦核（具有极薄的氢壳层），温度通常高达数万度。

　　船帆座KV是一颗典型的行星状星云中心双星，其热亚矮星主星温度高达77000度，而红矮星伴星的温度仅为3400度。两子星极大的温度差使得次星正对热亚矮星的一面和背对的一面存在非常大的温差（即次星的“白天”和“黑夜”温差高达约400度，具有强反射效应）。所以即使两子星不发生掩食，随着双星的轨道运动，系统也会产生周期性的亮度变化（光变幅高达0.55个星等；如图1（下）所示）。

　　通过对这颗双星100多年的光变数据进行分析（包括美国国家航空航天局的凌日系外行星巡天卫星（TESS）的高精度测光数据），团队发现其亮度极大的信号到达地球的时间（极大时刻）呈现出周期性变化（如图1（上）（右）所示）。这可解释为第三天体引起的光时轨道效应，即当第三天体存在时，中间双星将围绕三星系统的公共质心转动而引起光极大时刻周期性的提前和推迟。进一步的分析计算表明，这颗第三天体的最小质量为60倍木星质量，介于行星和最小质量的恒星之间，因而是一颗褐矮星。褐矮星的中心通常不足以维持稳定的氢核聚变反应，所以也被称为是“失败”的恒星。这是首次在非掩食双星中利用反射效应发现的第三天体，也是第一颗绕行星状星云中心双星转动的褐矮星。行星状星云中间的热亚矮星双星是原初双星（前身天体）中的主星进入渐近巨星分支阶段并经历共同包层演化之后形成的。原初双星中褐矮星第三天体不可能在渐近巨星分支和公共包层演化阶段幸存下来，揭示了它可能是在共同包层演化阶段形成的第二代褐矮星，为褐矮星和行星的形成提供丰富的信息和限制。

　　图1 （上）（左）绕行星状星云中心双星船帆座KV 转动的褐矮星示意图；（上）（右）船帆座KV的O-C（“O”表示观测的极大时刻，“C”为按照历元公式计算的极大时刻）相位图（存在周期性变化，不同颜色和形状的符号代表不同来源的观测数据）。（下）船帆座KV的TESS光变曲线

　　船帆座KV的前身天体是由大质量的B型主星和小质量的M型红矮星次星组成的极小质量比双星系统。然而由于次星非常暗弱，其亮度对整个系统的贡献不到1%，这样的双星极为难于发现。探测小质量星对大质量星的掩食成为唯一有效的方法。为了搜寻这样的特殊系统，团队利用我国LAMOST光谱巡天数据和欧洲航天局研制的盖亚（Gaia）空间卫星数据，并结合TESS所提供的高精度连续测光数据开展系统分析与研究。成功发现了一系列含暗弱伴星的B型小质量比双星。其中名为TIC 260342097的双星系统质量比仅为0.067，这意味着主星的质量是次星的约15倍。图2（左）展示的是目标双星TIC 260342097的TESS光变曲线。从图可以看出，光变曲线的振幅很小，不到0.06个星等。图2（右）展示了TIC 260342097的两子星几何位型，其中蓝色表示B型主星，红色表示暗弱M星红矮星伴星。这种罕见的极端质量比B型双星系统为理解双星系统的形成与演化提供了宝贵的信息，揭示了这一系统是由盘破裂过程形成，丰富了人们对双星系统形成路径的认识，也为研究双星的后续演化提供了新的视角。

　　图2（左）TIC 260342097的TESS光变曲线（绿色点表示TESS观测数据，而蓝实线是理论计算的光变曲线）；（右）该双星系统两子星的几何位型（蓝色表示B型主星，红色表示暗弱M星红矮星）

　　船帆座KV和含暗弱伴星的B型小质量比双星最终将演化成激变双星，它们通常是一类由一颗白矮星（主星）和一颗K/M星红矮星伴星（次星）组成的半相接型密近双星系统。次星的物质通过洛希瓣向白矮星转移，并在白矮星周围形成吸积盘。同时，这些物质与吸积盘边缘发生碰撞，产生热斑。在一些激变双星中，人们观察到一种周期短于轨道周期约5%的突起式的周期性光变，这种现象被称为“负超驼峰”。目前的研究表明，负超驼峰的形成可能与倾斜吸积盘的逆向进动有关，但仍缺乏直接证据。钱声帮团队利用TESS长期监测的高精度光变曲线数据对矮新星HS 2325+8205进行了深入研究，发现负超驼峰的振幅和频率随倾斜盘的进动发生周期性变化（见图3），为负超驼峰起源于倾斜盘进动提供了关键证据。

　　图3 HS 2325+8205的倾斜逆向进动的吸积盘艺术图（左图）和不同参数（频率、变幅和掩食深度等）的折叠相位图（右图）

　　另外，团队还对激变双星的矮新星爆发进行了研究。这类爆发幅度在2到8等之间（亮度增加几倍到几千倍），持续时间从几天到几周不等，通常被认为是由吸积盘的热不稳定性引起的。其中，Z Cam型矮新星爆发以其爆发衰退阶段的长时间亮度停滞而著称，并且亮度停滞通常以回归到宁静态作为结束。然而，在激变双星中，仙女座IW型现象却呈现出不同的特征，其亮度停滞通常以一次爆发结束，随后紧接着出现一个亮度下降，这对吸积盘热不稳定性模型提出了严峻的挑战。然而，由于相关样本稀缺，目前研究尚不充分。团队基于巡天数据发现了一颗新的仙女座IW型天体，名为“Karachurin 12”。另外，团队将亮度下降（dip）作为关键指标，以负超驼峰作为探针，揭示了Karachurin 12中多种循环变化模式（见图4）。研究发现，负超驼峰随仙女座IW型现象而表现出显著的变化，为进一步理解激变双星爆发和负超驼峰的起源提供了重要的观测证据。