清華新聞網(wǎng)2月9日電 近日，清華大學物理系王曉鋒教授課題組與合作者利用清華大學-馬化騰巡天望遠鏡（TMTS）發(fā)現(xiàn)了一顆距離地球約2760光年、軌道周期僅為20.5分鐘的致密雙星系統(tǒng)（即TMTS J0526），并解密了其物理起源。該雙星系統(tǒng)由一顆質(zhì)量約為0.74倍太陽質(zhì)量的碳氧白矮星與一顆直徑僅有7倍地球大小、質(zhì)量約為太陽0.33倍的熱亞矮星（大部分氫殼層物質(zhì)被剝離）組成。這樣一對極短軌道周期的雙星能夠在毫赫茲頻段產(chǎn)生強的引力波輻射，有望將來被空間引力波天文臺如LISA、天琴以及太極顯著探測到。需要特別指出的是，該雙星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和研究很好地驗證了通過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，很好地驗證了該演化通道（由中國科學院云南天文臺韓占文院士團隊于2003年提出）。
基于熱亞矮星形成的雙星星族合成研究表明，通過兩次共有包層拋射通道形成的熱亞矮星中，存在少量質(zhì)量低至0.32-0.36倍太陽質(zhì)量的亞類。它們通過點燃非簡并氦核形成，與被廣泛認知的通過氦閃點燃簡并氦核形成的熱亞矮星（約0.45倍太陽質(zhì)量）具有截然不同的質(zhì)量分布。第二次共有包層物質(zhì)拋射后，這些包含一顆白矮星的熱亞矮星雙星系統(tǒng)可以通過引力波輻射形成軌道周期短至20分鐘的極短周期雙星系統(tǒng)。但在TMTS巡天觀測發(fā)現(xiàn)之前，國際上并未觀測到完全符合上述觀測性質(zhì)的白矮星-熱亞矮星雙星系統(tǒng)。
圖1.藝術(shù)家繪制的TMTS J0526雙星系統(tǒng)（北京天文館 喻京川）。圖中較大的是熱亞矮星，遠處較小的是其白矮星伴星。
TMTS觀測系統(tǒng)是王曉鋒教授團隊在馬化騰基金以及清華大學學堂班支持下建成的一架獨特設計的多鏡筒光學巡天設備。自2020年正式運行以來，該系統(tǒng)以1分鐘的觀測頻率凝視北半球的宇宙星空。截止到2023年底，TMTS累計獲得了超過2700萬顆恒星的密集采樣光變數(shù)據(jù)，包含大量高價值的短周期變源，TMTS J0526便是其中光變周期最短的系統(tǒng)之一。在發(fā)現(xiàn)該源之后，團隊利用位于美國夏威夷的10米口徑Keck望遠鏡和位于西班牙拉帕爾瑪島的10.4米口徑GTC望遠鏡對該源進行了高時間分辨的連續(xù)光譜觀測，并且使用麗江2.4米望遠鏡進行時序測光觀測。結(jié)合高頻采樣觀測得到的光變曲線以及光譜視向速度變化，研究團隊分析得出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（即可見星）在另一顆更加致密白矮星（不可見星）的潮汐引力作用下發(fā)生形變（圖1）。 通過分析亮度、表面引力、有效溫度及質(zhì)量半徑關(guān)系表明可見星是一顆低質(zhì)量、薄包層的熱亞矮星（圖2）。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兩次共有包層拋射通道形成低質(zhì)量熱亞矮星（雙星）的理論預言相符合。
圖2.不同類型恒星的質(zhì)量-半徑關(guān)系圖。主序星、白矮星與熱亞矮星分布在該圖中三個可區(qū)分的區(qū)域。紫色區(qū)域代表熱亞矮星可能分布的區(qū)域，而TMTS J0526雙星系統(tǒng)的可見子星J0526B恰好落在該區(qū)域的最底端。該可見子星比過去發(fā)現(xiàn)的最小尺寸恒星（2MASS-J0523）還要小，代表了迄今發(fā)現(xiàn)的最小尺度的非簡并星。
上述研究成果以“20.5分鐘分離雙星中七倍地球半徑的氦燃燒星（A seven-Earth-radius helium-burning star inside a 20.5-min detached binary）”為題，于2月9日在線發(fā)表于《自然·天文學》（Nature Astronomy）。這是TMTS項目繼發(fā)現(xiàn)18.9分鐘藍色大振幅脈動變星之后，研究成果第二次發(fā)表在《自然·天文學》上。王曉鋒為本文通訊作者，清華大學原博士后林杰（現(xiàn)任中國科學技術(shù)大學特任副研究員）為本文第一作者，中國科學院云南天文臺副研究員吳程遠（原清華大學物理系博士后）與澳大利亞國立大學博士研究生熊赫然為共同第一作者。論文主要合作者還包括捷克科學院天文研究所研究員皮特，中國科學院云南天文臺韓占文院士、陳雪飛研究員團隊，意大利帕多瓦天文臺的伊里亞斯·羅莎博士團隊，美國加州大學伯克利分校菲利彭科教授團隊等。本項目得到國家自然科學基金基礎科學中心項目、重點項目、馬化騰基金、中國載人航天工程、北科院北科學者項目以及科學探索獎等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02188-2
供稿：物理系
題圖設計：曾儀
編輯：李萍
審核：周襄楠
