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物理系王晓锋课题组与合作者发现理论预言的最短轨道周期热亚矮星双星

清华新闻网2月9日电 近日,清华大学物理系王晓锋教授课题组与合作者利用清华大学-马化腾巡天望远镜(TMTS)发现了一颗距离地球约2760光年、轨道周期仅为20.5分钟的致密双星系统(即TMTS J0526),并解密了其物理起源。该双星系统由一颗质量约为0.74倍太阳质量的碳氧白矮星与一颗直径仅有7倍地球大小、质量约为太阳0.33倍的热亚矮星(大部分氢壳层物质被剥离)组成。这样一对极短轨道周期的双星能够在毫赫兹频段产生强的引力波辐射,有望将来被空间引力波天文台如LISA、天琴以及太极显著探测到。需要特别指出的是,该双星系统的发现和研究很好地验证了通过两次共有包层抛射演化形成低质量、短轨道周期热亚矮星双星的理论极限值,很好地验证了该演化通道(由中国科学院云南天文台韩占文院士团队于2003年提出)。

基于热亚矮星形成的双星星族合成研究表明,通过两次共有包层抛射通道形成的热亚矮星中,存在少量质量低至0.32-0.36倍太阳质量的亚类。它们通过点燃非简并氦核形成,与被广泛认知的通过氦闪点燃简并氦核形成的热亚矮星(约0.45倍太阳质量)具有截然不同的质量分布。第二次共有包层物质抛射后,这些包含一颗白矮星的热亚矮星双星系统可以通过引力波辐射形成轨道周期短至20分钟的极短周期双星系统。但在TMTS巡天观测发现之前,国际上并未观测到完全符合上述观测性质的白矮星-热亚矮星双星系统。

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图1.艺术家绘制的TMTS J0526双星系统(北京天文馆 喻京川)。图中较大的是热亚矮星,远处较小的是其白矮星伴星。

TMTS观测系统是王晓锋教授团队在马化腾基金以及清华大学学堂班支持下建成的一架独特设计的多镜筒光学巡天设备。自2020年正式运行以来,该系统以1分钟的观测频率凝视北半球的宇宙星空。截止到2023年底,TMTS累计获得了超过2700万颗恒星的密集采样光变数据,包含大量高价值的短周期变源,TMTS J0526便是其中光变周期最短的系统之一。在发现该源之后,团队利用位于美国夏威夷的10米口径Keck望远镜和位于西班牙拉帕尔玛岛的10.4米口径GTC望远镜对该源进行了高时间分辨的连续光谱观测,并且使用丽江2.4米望远镜进行时序测光观测。结合高频采样观测得到的光变曲线以及光谱视向速度变化,研究团队分析得出TMTS J0526是一颗轨道周期仅有20.5分钟的椭变双星,其中更大、更亮的子星(即可见星)在另一颗更加致密白矮星(不可见星)的潮汐引力作用下发生形变(图1)。 通过分析亮度、表面引力、有效温度及质量半径关系表明可见星是一颗低质量、薄包层的热亚矮星(图2)。该双星系统包含的低质量热亚矮星、白矮星伴星以及极短的轨道周期均与两次共有包层抛射通道形成低质量热亚矮星(双星)的理论预言相符合。

图2.不同类型恒星的质量-半径关系图。主序星、白矮星与热亚矮星分布在该图中三个可区分的区域。紫色区域代表热亚矮星可能分布的区域,而TMTS J0526双星系统的可见子星J0526B恰好落在该区域的最底端。该可见子星比过去发现的最小尺寸恒星(2MASS-J0523)还要小,代表了迄今发现的最小尺度的非简并星。

上述研究成果以“20.5分钟分离双星中七倍地球半径的氦燃烧星(A seven-Earth-radius helium-burning star inside a 20.5-min detached binary)”为题,于2月9日在线发表于《自然·天文学》(Nature Astronomy)。这是TMTS项目继发现18.9分钟蓝色大振幅脉动变星之后,研究成果第二次发表在《自然·天文学》上。王晓锋为本文通讯作者,清华大学原博士后林杰(现任中国科学技术大学特任副研究员)为本文第一作者,中国科学院云南天文台副研究员吴程远(原清华大学物理系博士后)与澳大利亚国立大学博士研究生熊赫然为共同第一作者。论文主要合作者还包括捷克科学院天文研究所研究员皮特,中国科学院云南天文台韩占文院士、陈雪飞研究员团队,意大利帕多瓦天文台的伊里亚斯·罗莎博士团队,美国加州大学伯克利分校菲利彭科教授团队等。本项目得到国家自然科学基金基础科学中心项目、重点项目、马化腾基金、中国载人航天工程、北科院北科学者项目以及科学探索奖等的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41550-023-02188-2

供稿:物理系

编辑:李萍

审核:周襄楠

2024年02月09日 20:46:48

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