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(2024-05-31 08:57:02) 最短轨道周期热亚矮星双星：验证21年前的理论预言
林杰 吴程远 等 中国科学院国家天文台
2024-03-15
热亚矮星与二次共有包层抛射通道
热亚矮星，顾名思义是一类又热又小的恒星。它们的表面温度是太阳的4到9倍，而体积却往往不足太阳的百分之一。由于这类恒星是氦燃烧星，并且它们的氢包层厚度远低于一般进行氦燃烧的恒星，因此天文学家普遍认为热亚矮星起源于双星演化。
双星演化理论预言存在三种形成热亚矮星的主要通道，分别是共有包层抛射、稳定洛希瓣物质转移和双白矮星并合通道。在共有包层抛射与稳定洛希瓣物质转移通道中，双星系统中的一颗恒星在演化过程中由于双星间的相互作用而失去大部分的氢包层；如果这颗恒星残余的部分仍足以点燃其氦核进行稳定的核反应，那么这颗恒星将演化成为热亚矮星，并与其伴星组成一个新的双星系统(即热亚矮星双星)。在双白矮星并合通道中，两颗小质量的氦白矮星合并成为一颗质量更大的氦星；如果这颗氦星能够点燃中心的氦核，那么它将演化成为一颗热亚矮星单星。在经历过一次共有包层抛射或稳定洛希瓣物质转移过程之后，双星系统还可能经历第二次共有包层抛射过程。我们将经由第二次共有包层抛射过程形成热亚矮星的演化通道称为二次共有包层抛射通道。
在二次共有包层抛射通道中(参考图1)，两颗初始的主序星演化到双星相互作用阶段，通过共有包层抛射或者稳定洛希瓣物质转移形成一个由主序星与白矮星组成的新双星系统；之后随着另一颗主序星的演化，这对新形成的双星通过共有包层抛射形成短轨道周期的、由热亚矮星和白矮星组成的双星系统。由于白矮星的体积相比主序星要小得多，它能够穿透到共有包层的更深处，因而允许形成轨道周期非常短的热亚矮星双星。
图1: 二次共有包层演化通道的示意图。
根据双星演化理论，在二次共有包层抛射过程中，基于热亚矮星前身星(即将演化为热亚矮星的主序星)
的质量，形成的热亚矮星具有两类截然不同的质量分布。如果热亚矮星前身星是小质量主序星(即小于两倍太阳质量)，由于氦核在点燃之前处于简并态，热亚矮星的氦燃烧将从一种极为剧烈的爆发性氦燃烧(即氦闪)
开始。在氦闪将氦核的简并态破除之后，恒星便会开始稳定的核氦燃烧。该子通道形成的热亚矮星质量集中在0.4到0.5倍太阳质量之间，这也是被最广泛认知的热亚矮质量范围。相对地，如果热亚矮星的前身星是更大质量的主序星，在演化过程中将不会形成简并态的氦核，核氦将不经由氦闪而直接点燃。该子通道形成的热亚矮星的质量集中在0.32到0.36倍太阳质量的区间。值得一提的是，由该子通道形成的热亚矮星双星是所有形成通道中最紧凑的，它们的轨道周期只有数十分钟至两小时。然而，由于已知的超紧凑双星(轨道周期短于几十分钟的双星)
数目极少，其中的热亚矮星双星仅占很小的一部分，因此该子通道并未得到很好的观测验证。
清华大学-马化腾巡天望远镜与最短轨道周期热亚矮星双星
清华大学-马化腾巡天望远镜(简称TMTS)
是由清华大学王晓锋教授带领团队建成的总视场达18平方度的多镜筒望远镜系统。自2020年起，TMTS开始以分钟节奏的测光频率(即“凝视”观测)
监测郭守敬望远镜(简称LAMOST)
的观测天区，旨在抽取视场中大量观测目标长时间不间断的光变曲线的同时，还能获取LAMOST目录中成千上万个目标的光谱学数据。四年间，TMTS的巡天观测已经覆盖了超过10,000平方度(约为全天的四分之一)
不重复的天区。
图2: 清华大学-马化腾巡天望远镜。
得益于密集采样的观测模式，TMTS在四年间新发现了上千颗周期短于两小时的变星。作为其中最短周期的变星之一，光变周期仅有10.3分钟的TMTS
J0526+5934 (简称J0526)进入了TMTS团队的视野。为了更深入地研究，TMTS
团队在2022年9月和2023年1月分别利用夏威夷10米凯克望远镜和拉帕尔马岛10.4米加那利大型望远镜对J0526进行时间分辨的光谱学观测。凯克望远镜的光谱显示J0526的视向速度受到20.5分钟的周期调制，而加那利大型望远镜的光谱更是证明了该目标源的光谱中仅有一套谱线系统。这意味着J0526是一对轨道周期仅为20.5分钟(是光变周期的两倍)
的双星，系统中一颗更大、更亮的可见星与一颗看不见的致密天体正在围绕它们的质心高速旋转。这颗可见星由于距离致密天体太近，在潮汐引力的作用下发生形变；在轨道运动的不同相位，形变的可见星以不同的侧面朝向地球，因而望远镜能够捕捉到来自该双星的周期性光度变化。从开普勒第三定律出发，TMTS
团队推断双星系统中看不见的致密天体实际上是一颗质量约为四分之三倍太阳质量的碳氧白矮星(核心主要成分是碳和氧的白矮星)。由于该双星距离地球2760光年，在这个距离下，碳氧白矮星的亮度不足以被当下的光学望远镜直接探测到。综合各方面的测量结果，TMTS
团队判断这颗表面温度高达25,000K (约为太阳表面温度的4倍)
的可见星很可能不是一颗恒星燃烧结束后留下的白矮星，而是一颗内部正在发生稳定氦核聚变的低质量(约0.33倍太阳质量)
热亚矮星。令人惊讶的是，J0526的极短轨道周期、低质量的热亚矮星以及白矮星伴星，都与上述经由二次共有包层抛射通道在非简并条件下形成低质量热亚矮星的预言一致!
这是TMTS团队在短周期变星领域取得的又一个重要研究成果。此前，TMTS发现的18.9分钟脉动周期的蓝色大振幅脉动变星(BLAP)，为验证蓝色大振幅脉动变星是处于特殊演化阶段的热亚矮星提供了关键性证据。这两项科研成果，都对探究热亚矮星的质量分布和形成通道有重要影响。未来，随着国内时域巡天设备的迅速发展，我们将有机会发现更多短周期的变星。
参考文献
Han Z, Podsiadlowski P, Maxted P F L, Marsh T R, Ivanova N.
MNRAS, 2002, 336(2):449-466
Han Z, Podsiadlowski P, Maxted P F L, Marsh T R. MNRAS, 2003,
341(2):669-691
Lin J., Wu C., Xiong H., Wang X., Nemeth P., et al. Nature
Astronomy, 2024, https://www.
nature.com/articles/s41550-023-02188-2
Lin J., Wu C., Wang X., Nemeth P., Xiong H., et al. Nature
Astronomy, 2023, 7:223-233
Zhang J., Wang X., Mo J., Xi G., Lin J., et al. PASP, 2020,
132(1018):125001
Lin J, Wang X, Mo J, Xi G, Zhang J, et al. MNRAS, 2022,
509(2):2362-2376
Lin J, Wang X, Mo J, Xi G, Filippenko A V, et al. MNRAS, 2023,
523(2):2172-2192
作者简介
林杰，中国科学技术大学特任副研究员，清华大学-马化腾巡天望远镜主要贡献者之一，墨子巡天望远镜项目组成员。主要从事时域巡天、短周期变星与恒星演化等研究工作。通过将时域巡天中发现的特殊短周期变星与恒星演化理论结合，在Nature
Astronomy上以第一作者身份发表2篇文章。
吴程远，中国科学院云南天文台副研究员，主要从事吸积白矮星、超新星等恒星演化与双星演化方面的研究工作。目前已在 Nature
Astronomy、ApJL、A&A、MNRAS等杂志作为第一作者或主要贡献者发表20余篇学术论文。
熊赫然，澳大利亚国立大学博士生，主要从事热亚矮星形成演化，双星演化，恒星温度测定等研究。目前已在 Nature
Astronomy、A&A、MNRAS等杂志作为第一作者或主要贡献者发表数篇学术论文。
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