“天关”捕星

　　作者：“天关”科学中心

　　日前，“天关”卫星的一则新成果登上了国际学术期刊《天体物理杂志快报》——科学家们首次全程追踪到一种奇特双星系统从X射线突然爆发到逐渐消退的全过程，为探索大质量恒星的相互作用与演化开辟了新途径。而由我国主导研制的“天关”卫星，是这一发现的最大“功臣”。

“天关”探测X射线模拟图。国家天文台供图

　　奇特，一种罕见的天体组合

　　2024年5月27日，刚刚发射升空的“天关”卫星，利用其搭载的宽视场X射线望远镜（WXT，万星瞳），在邻近的星系——小麦哲伦云内，捕捉到了一例奇特的X射线辐射事件。随后，“天关”卫星又利用其搭载的后随X射线望远镜（FXT，风行天）进行定向观测，获取到源爆发期间更为详细的X射线信息。

　　这对奇特的天体组合包含一颗质量超过太阳10倍的炽热大恒星，以及一颗质量与太阳相当的致密白矮星。目前科学界仅发现少数此类系统，WXT探测到该奇特天体的X射线辐射后，为追溯这个编号为EP J0052的新天体的信号来源，科学家随即调用了“天关”的FXT进行定向观测。这一发现同时触发了美国宇航局的雨燕和NICER X射线望远镜对该天体进行观测。欧洲航天局的XMM-牛顿望远镜也在触发信号18天后实施了后续观测。

　　最初，科学家们认为这个新天体可能是一个常见的X射线双星系统，由一颗中子星吞噬其大质量恒星伴星的物质组成。

　　然而，进一步的数据分析揭示了一个不同的真相。

　　得益于“天关”卫星在天体最初爆发时便成功捕捉到了信号，科学家们得以对来自不同仪器的多批次数据进行分析。他们研究了在6天内，光在一系列X射线波长上的变化，并识别出爆炸物质中存在的元素，例如氮、氧和氖。这些分析结果为研究提供了关键线索。

　　“我们很快意识到，这是一个极为罕见和珍贵的发现，它们是一对非常难以捉摸的天体。”西班牙空间科学研究所博士后历西奥·马里诺解释，“这对罕见的天体由一颗我们称之为Be星的大质量恒星和一颗被称为白矮星的恒星‘遗骸’组成，Be星的质量是太阳的12倍，而白矮星则是一个紧凑且超高密度的天体，其质量与太阳相当。”

　　这两颗恒星紧密地相互环绕运行，白矮星凭借其强大的引力场从其伴星那里不断拉扯物质。随着越来越多的物质（主要是氢）不断落在白矮星这个紧凑的天体上，其强大的引力将这些物质不断压缩，直至引发一场失控的核爆炸。这一过程产生了一道极为明亮的闪光，其波长范围涵盖了从可见光到紫外线以及X射线的广泛区域。

　　解谜，一种合理的解释

　　这一发现，让天文学家们有些困惑。因为Be型大质量恒星的生命历程短暂而激烈，大约仅持续2000万年。而它的伴星寿命往往可达到数十亿年。

　　那么，问题出现了。为何一起形成的双星系统，本该长寿的死亡了，寿命短暂的却仍然活着？

　　对此，科学家们提出了一个合理的解释。

　　这对双星最初由两颗质量分别为太阳6倍和8倍的较大的恒星组成，是一对匹配度较高的双星系统。质量更大的恒星更早耗尽了其核燃料并开始膨胀，向其伴星抛射物质。最初，其膨胀的外层气体被伴星吸引；随后，其剩余的外层壳层被抛射出去，形成了一个包裹着两颗恒星的包层。这个包层后来演化为一个盘状结构，并最终消散。

　　这一过程结束后，伴星的质量增长至太阳的12倍（也就是Be星），另一颗恒星的核心则坍缩为一颗质量略超太阳的白矮星。如今，白矮星开始从Be星的外层吸取并吞噬物质。

　　“这项研究为我们揭示了恒星演化中一个极为罕见的阶段，这是两颗恒星之间复杂物质交换的结果。”欧洲航天局的研究员兼X射线天文学家阿什利·克莱姆评论，“观察到一对相互作用的大质量恒星能够产生如此引人入胜的结果，令人着迷。”

　　欧洲航天局的XMM-牛顿望远镜在“天关”首次观测到EP J0052的18天后，对该方向进行了后续观测，但未能再次探测到信号。这表明此次耀发的持续时间相对较短。

　　短暂爆发的持续时间，以及氖和氧的存在，暗示这颗白矮星的质量相当大，可能比太阳重约20%。它的质量接近所谓的钱德拉塞卡极限——一旦超过这一极限，恒星将继续坍缩，最终可能变成一颗更为致密的中子星，或者作为超新星爆发。

　　“天关”，打开宇宙观测新窗口

　　回顾这一发现过程，历西奥·马里诺认为，这得益于“天关”卫星独特的能力。“我们在监测X射线暂现源时，偶然发现了小麦哲伦云中的这个新的X射线亮点。我们意识到，我们正在观察的是某种不寻常的东西，只有‘天关’卫星能够捕捉到。这是因为，在目前监测X射线天空的望远镜中，WXT是唯一一个能够以足够的灵敏度看到低能X射线的望远镜。”欧洲航天局“天关”卫星项目科学家埃里克也说：“Be星与白矮星双星系统的爆发极为罕见，它们最适合用低能X射线进行观测。”

　　的确，正是“天关”卫星独特的能力，为人类打开了宇宙观测的新窗口。

　　“天关”卫星由中国科学院主导，联合欧洲航天局、德国马普地外物理研究所以及法国国家空间研究中心共同研制。

　　2024年1月9日，“天关”卫星从中国西昌卫星发射中心发射升空，卫星上搭载了两台仪器——宽视场X射线望远镜（WXT），用于持续监测天空中出现的X射线暂现源；后随X射线望远镜（FXT），专注于对WXT发现的X射线源开展更详细的观测。

　　中国科学院国家空间科学中心承担“天关”卫星工程总体，微小卫星创新研究院、上海技术物理研究所与国家天文台、高能物理研究所分别负责卫星平台及两台载荷研制，夜视院集团负责载荷WXT的龙虾眼光学器件的研制。

　　WXT是国际上首个大视场X射线聚焦望远镜，探测能力领先其他设备1个多数量级，能发现宇宙中更加遥远和暗弱的X射线爆发。

　　“天关”卫星的核心科学目标有三个：一是发现宇宙中的X射线剧变天体；监测已知天体的活动性，探究相关现象的性质及物理机制；二是发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发；测绘黑洞的分布，进一步理解其起源、演化及物质吸积过程；三是探寻来自引力波源的X射线信号，以增进对极端致密天体及其合并过程的认知。

　　同时，“天关”卫星的暂现源系统性巡天还将发现宇宙更为遥远（早期）的伽马射线暴，以追踪照亮宇宙“黑暗时代”的第一代恒星，并利用其作为“灯塔”探索早期宇宙的黎明和再电离时期，以及第一代星系和早期星际介质。它也将探测超新星爆发瞬时的X射线爆发辐射。此外，“天关”卫星还将积累海量的全天时域巡天数据，可以用来开展大样本天体的X射线时变监测普查，研究包括恒星、致密天体、活动星系核等天体的活动性及其物理过程和起源。

　　“天关”卫星首席科学家袁为民说：“‘天关’卫星的国际合作具有深远的意义。”它不仅是多国合作研制的，其在数据共享和科学管理上，也组建了一支约300多人的国际联合科学团队，成员是来自10多个国家的300余位科学家，为“天关”卫星的科学成果产出，提供了极为强大和广泛的国际力量。

　　宇宙深邃，“天关”的捕星之旅还在继续。

　　《光明日报》（2025年03月13日 16版）