“星海撈針” 開創尋找天體新方法 郭守敬望遠鏡發現一顆寧靜態中子星

什麼是中子星?它們在宇宙中以怎樣的方式存在?如何發現中子星?這些科學謎團正在被天文學家慢慢揭開。

基於國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)的時域巡天數據,我國天文學家發現了一顆距離地球大約1037光年、處於雙星系統中的寧靜態中子星。這顆中子星的質量約爲太陽的1.2倍,其伴星是一顆類似太陽但比太陽更紅更暗的恆星。相關研究成果9月23日在線發表於《自然・天文》雜誌

找到它們如同“大海撈針”

“這是繼2019年認證一顆寧靜狀態的恆星級黑洞後,LAMOST黑洞獵手團隊在探尋緻密天體領域取得的又一項重要成果。”論文通訊作者中科院國家天文臺研究員劉繼峰強調。

所謂中子星,是指8―25倍太陽質量的大質量恆星演化到生命末期,發生劇烈的超新星爆炸後,在中心形成的密度極高天體。它與白矮星、黑洞一起成爲不同質量恆星的生命終章。

1967年,天文學家發現了第一顆脈衝星,經過幾位天文學家一年的努力,最終證實這就是一顆正在快速自轉的中子星。這一發現使中子星從一個理論猜想變成了一個可被實際觀測的真實天體。

從此以後,天文學家開始利用各種不同的方法來搜尋發現中子星。

他們通過高速旋轉的中子星產生的脈衝信號,來捕獲中子星;或通過雙星系統中緻密天體吸積伴星的氣體物質形成吸積盤,發出明亮的X射線,來找到中子星;還可以通過雙中子星併合發出的引力波,來發現中子星。

然而,與寧靜態黑洞一樣,那些既探測不到脈衝信號又沒有發出X射線的寧靜態中子星,也是宇宙中難以發現的、深藏不露的神秘天體。在浩瀚的宇宙中搜尋這些寧靜態的中子星或者黑洞,絕對是“大海撈針”。

“如何找到合適的方法發現這些寧靜的中子星或黑洞,是天文學家研究緻密天體家族及其物理性質關鍵。”論文通訊作者、廈門大學顧爲民教授說,而LAMOST是在漫天星海中“大海撈針”的利器,利用其大規模巡天優勢速度監測方法,有望發現一批深藏不露的黑洞和中子星。

打破搜尋緻密天體的觀測限制

在利用LAMOST時域巡天數據開展黑洞和中子星等緻密天體搜尋計劃時,研究人員發現了一個光譜不同於單星的特殊雙星系統。

“該雙星系統由一顆0.6倍太陽質量的紅矮星和一顆未被望遠鏡探測到的不可見天體組成,這個不可見天體極可能是一個緻密星。”論文第一作者伊團博士介紹。

接着,研究團隊又利用美國帕洛瑪天文臺的5米海爾望遠鏡進行後隨觀測,並結合美國凌日系外行星巡天衛星(TESS)的高精度測光觀測進行了進一步的分析和測定,從而確認該雙星系統的緻密天體是一顆質量約爲太陽1.2倍的中子星。

藉助歐洲航天局的蓋亞望遠鏡(Gaia)數據進行測距後,研究人員發現這個雙星系統距離地球非常近,和地球相距大約1037光年。

研究人員還發現,這顆身穿紅色外衣的紅矮星作爲伴星每過6.6個小時就會和她的“王子”――中子星“共舞”一週,循環往復,從不間斷。由於中子星的強大潮汐力作用,作爲其伴星的紅矮星被“瘦身”成了水滴狀,像一顆閃耀的“紅寶石”默契地圍繞中子星身邊

更重要的是,該雙星系統的中子星並沒有在吸積紅矮星上的物質,周圍也沒有吸積盤的存在,因此無法探測到明亮的X射線。研究團隊利用“中國天眼”(FAST)對其進行了一個小時的射電觀測,同樣也沒有觀測到這顆中子星的脈衝信號。也就是說,這是一顆寧靜態中子星。

“值得一提的是,LAMOST領先世界的光譜獲取率和大規模巡天的絕對優勢使得天文學家可以利用視向速度監測方法來發現寧靜的黑洞、中子星等緻密天體,打破了依賴於探測脈衝信號、X射線等來搜尋緻密天體的觀測限制。”劉繼峰說,這種方法爲發現處於雙星系統中的寧靜態緻密天體開創了新途徑