科學(xué)家發(fā)現(xiàn)理論預(yù)言的最短軌道周期熱亞矮星雙星引力波源
近日，清華大學(xué)物理系王曉鋒教授課題組與合作者利用清華大學(xué)-馬化騰巡天望遠(yuǎn)鏡（TMTS）發(fā)現(xiàn)了一顆距離地球約2760光年、質(zhì)量約為太陽(yáng)0.33倍的熱亞矮星雙星系統(tǒng)（即TMTS J0526）。這顆熱亞矮星正以20.5分鐘的周期快速繞轉(zhuǎn)一顆質(zhì)量約為0.74倍太陽(yáng)質(zhì)量的碳氧白矮星，并在毫赫茲頻段產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波輻射。該引力波信號(hào)有望被計(jì)劃建設(shè)的空間引力波天文臺(tái)如LISA、天琴以及太極等顯著探測(cè)到。需要特別指出的是，該雙星系統(tǒng)的性質(zhì)逼近了通過(guò)兩次共有包層拋射演化形成低質(zhì)量、短軌道周期熱亞矮星雙星的理論極限值，很好地驗(yàn)證了該演化通道。TMTS J0526熱亞矮星的半徑約為地球7倍大小，代表了人類目前發(fā)現(xiàn)的體積最小的恒星。
相關(guān)研究論文以“20.5分鐘分離雙星中七倍地球半徑的氦燃燒星”為題于2月9日在線發(fā)表于《自然·天文學(xué)》。王曉鋒為本文通訊作者，清華大學(xué)原博士后林杰（現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任副研究員）為本文第一作者，清華大學(xué)原博士后吳程遠(yuǎn)（現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)副研究員）與澳大利亞國(guó)立大學(xué)博士研究生熊赫然為共同第一作者。
圖為北京天文館藝術(shù)家喻京川繪制的TMTS J0526雙星系統(tǒng)，較大的為熱亞矮星，遠(yuǎn)處較小的為其白矮星伴星。清華大學(xué)物理系王曉鋒教授課題組供圖
基于對(duì)熱亞矮星形成通道的詳細(xì)星族合成研究，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)韓占文院士團(tuán)隊(duì)曾預(yù)測(cè)，通過(guò)兩次共有包層拋射通道會(huì)形成質(zhì)量低至0.32—0.36倍太陽(yáng)質(zhì)量的熱亞矮星。這些低質(zhì)量的熱亞矮星通過(guò)點(diǎn)燃非簡(jiǎn)并氦核形成，它們與被廣泛認(rèn)知的通過(guò)氦閃點(diǎn)燃簡(jiǎn)并氦核形成的熱亞矮星 (約0.45倍太陽(yáng)質(zhì)量) 具有截然不同的質(zhì)量分布。在經(jīng)歷第二次共有包層的物質(zhì)拋射后，這些包含一顆白矮星的熱亞矮星雙星系統(tǒng)，通過(guò)引力波輻射可演化形成軌道周期短至20分鐘的極短周期雙星系統(tǒng)。但在此次TMTS巡天觀測(cè)發(fā)現(xiàn)之前，國(guó)際上并未觀測(cè)到完全符合上述觀測(cè)性質(zhì)的熱亞矮星雙星系統(tǒng)。
TMTS觀測(cè)系統(tǒng)是王曉鋒教授團(tuán)隊(duì)在馬化騰基金以及清華大學(xué)支持下建成的一架設(shè)計(jì)獨(dú)特的多鏡筒光學(xué)巡天設(shè)備。自2020年正式運(yùn)行以來(lái)，該系統(tǒng)以1分鐘的觀測(cè)頻率“凝視”北半球的宇宙星空。截至2023年底，TMTS累計(jì)獲得了超過(guò)2700萬(wàn)顆恒星的密集采樣光變數(shù)據(jù)，包含大量高價(jià)值的短周期變?cè)矗琓MTS J0526便是其中光變周期最短的系統(tǒng)之一。
TMTS在2020年12月18日首次捕捉到了該源的光變信息。之后團(tuán)隊(duì)利用位于美國(guó)夏威夷的10米口徑Keck望遠(yuǎn)鏡和位于西班牙拉帕爾馬島的10.4米口徑GTC望遠(yuǎn)鏡對(duì)該源進(jìn)行了高時(shí)間分辨的連續(xù)光譜觀測(cè)，并且使用麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行時(shí)序測(cè)光觀測(cè)。結(jié)合高頻采樣觀測(cè)得到的光變曲線以及光譜視向速度變化，研究團(tuán)隊(duì)分析得出TMTS J0526是一顆軌道周期僅有20.5分鐘的橢變雙星。其中更大、更亮的子星(即可見(jiàn)星) 在另一顆更加致密白矮星（不可見(jiàn)星）的潮汐引力作用下發(fā)生形變。亮度、表面引力、有效溫度及質(zhì)量半徑關(guān)系等分析結(jié)果表明，可見(jiàn)星是一顆低質(zhì)量熱亞矮星。該雙星系統(tǒng)包含的低質(zhì)量熱亞矮星、白矮星伴星以及極短的軌道周期均與二次共有包層拋射通道形成低質(zhì)量熱亞矮星（雙星）?的理論預(yù)言相符合。
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