两颗死亡双星罕见共舞

○ ZTF发现了一对非比寻常的白矮星,名为ZTF J1530+5027,它们大约每6.91分钟就会相互环绕一次。较小的那颗白矮星要比地球大一点,质量是太阳的60%。它的伴星要更大,但质量更小,只有太阳的25%。由于会释放出引力波,它们的轨道间距每天会收缩26厘米。| 图片来源:Caltech/IPAC


来源丨原理(ID:principia1687)


许多恒星在生命的末期会膨胀成一颗红巨星,比如我们的太阳就是这样,在成为红巨星之后,它们最终演化成致密的白矮星。白矮星的质量和太阳相当,但大小却只与地球差不多。


类似地,如果是一个双星系统,在它们的演化末期也会成为相互旋绕的白矮星双星。两颗靠得非常近的白矮星是非常强的引力波辐射源,虽然天文学家预计这样的系统有很多,但到目前为止,这种系统仍非常难以捉摸。


为了捕捉任何移动、闪烁或亮度发生了变化的天体,加州理工学院的兹威基瞬变设施(ZTF)在每个夜晚都会快速地扫描银河系的大部分区域。ZTF是帕洛马天文台的一项非常先进的巡天技术,它有一个5.76亿像素的大相机,每三个晚上就能对整个天空进行一次扫描。


在分析了ZTF的一小部分数据后,天文学家在距离地球约8000光年之外发现了一个闪烁的光点。结果发现,这个光点非常不简单,它其实是一对相互环绕的白矮星系统,官方名称为ZTF J1539+5027。这是迄今为止发现的绕行速度最快的“食双星系统”,这意味着从我们的角度来看,其中一颗白矮星会不断地从另一颗白矮星前面穿过。通过分析观测到的数据,天文学家可以计算出它们的大小、质量和轨道周期。

在夜空中,这对已死亡的双星系统非常突出,因为它们的信号经常重复,而且是以一种可预测的方式重复。过去,人们还无法系统地搜索每分钟都在变化的天体。但ZTF那足够大的相机让我们终于得以做到这一点。


这两颗新发现的白矮星都和地球差不多大,其中一颗略小于另一颗,小的那颗也比另一颗更亮一些,它们加在一起的质量与太阳相当。这两个天体的轨道非常接近,只有地月球距离的1/5。我们甚至可以将这两颗绕轨道运行的恒星“塞进”土星内。它们以每秒数百公里的速度,每6.91分钟相互环绕一次。


研究人员将这一发现发表在了7月25日的《自然》杂志上,论文的第一作者Kevin Burdge说:“当较暗的那颗恒星在更明亮的那颗星前经过时,它会阻挡大部分的光线,在ZTF的数据中形成了7分钟的闪烁模式。物质正准备从更大、更轻的那颗白矮星上溢到更小、更重的那颗白矮星上,最终,后者会将更轻的那颗伴星吞并。我们已经看到过许多白矮星被它的同伴吞食掉的例子,但是我们很少能捕捉到像这个这样还处于合并过程中的系统。”


○ 这对”食双星“每6.91分钟绕对方一周:当较大、较冷的白矮星从较小、较热的白矮星前面经过时,较小的那颗白矮星的光会被挡住。对观测这一系统的天文学家来说,这对恒星在日食阶段会消失大约30秒。| 图片来源:Caltech/IPAC


更妙的是,由于ZTF J1539+5027会释放出引力波,所以两颗白矮星会越来越靠近,相互环绕的速度也会越来越快。它们的轨道是如此紧密,以至于轨道周期预计在短短几年后就会明显缩短。Burdge的团队通过将他们的新结果与过去10年获得的数据进行比较,证实了广义相对论对缩小轨道的预测


当太空激光干涉仪(LISA)在2034年发射升空后,就能够探测到双白矮星合并辐射出的引力波。届时。LISA所扮演的角色将与LIGO(激光干涉引力波天文台)类似。2015年,LIGO首次直接探测到了一对相互碰撞的黑洞产生的引力波,改写了引力波探测的历史。而LISA将会在较低的频率探测引力波。


物理学教授Tom Prince是这篇论文的一名合著者,他说:“这两颗白矮星正在合并,因为它们正在发射引力波。在LISA启动后的一周内,它就能接收到来自这个双星系统的引力波。到时候,LISA将会在我们的星系中发现成千上万个像这样的双星系统,但是到目前为止我们知道的只有几个。而新发现的这个双星系统是迄今为止最具特色的一个,因为它具有日食性质。”


有时候,这些双星白矮星会合并成一颗恒星,而有时当较轻的白矮星逐渐被较重的白矮星撕碎时,它们的轨道会变得更宽。论文的作者之一James Fuller说:“我们不确定在这种情况下会发生些什么,但发现更多这样的系统将能告诉我们,这些恒星在近距离碰撞中能存活下来的频率。”


研究人员希望未来能够解答的另一个谜题是有关白矮星的温度之谜,据估计,温度更高的那颗白矮星的温度约为5万摄氏度,是太阳的9倍。之所以推测这颗白矮星如此炙热,是因为它已经开始从伴星身上“吞食物质”,这是一个会把物质加热到极高温度的过程,这种“吸积”过程通常与X射线有关,可研究人员并没有发现任何X射线的踪迹。


Burdge说:“奇怪的是,我们并没有在这个系统中看到X射线。一种可能性是白矮星上的吸积点(物质坠落的区域)比通常情况下的更大,这就有可能导致发射出的是紫外线和可见光,而不是X射线。”


当你抬头仰望星空的时候,如果你恰巧朝着牧夫座的方向看,不要忘了,那里有一个闪烁的光点,那是两颗死亡双星在共舞。


参考来源:

https://www.caltech.edu/about/news/dead-stars-found-whipping-around-each-other-minutes

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1403-0



本文转载自公众号“原理”(ID:principia1687)

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