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2017-2-15

天蝎AR:第一颗白矮星脉冲星

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 1:34 pm

传统意义上的脉冲星被定义为快速自转的磁化中子星(或夸克星)。在星体自转的驱动下,强烈的辐射束沿中子星磁轴射出,并绕着自转轴扫过周边。当辐射束被地球上的射电望远镜截获后,我们看到的就是周期性的脉冲了。但是去年发现的双星天蝎AR却是脉冲星中的一个例外:这个系统由一颗白矮星和一颗红矮星组成,是已知仅有的白矮星脉冲星。

天蝎AR在天空中的位置,以红色圆圈标出。(图片提供:ESO/IAU and Sky & Telescope)

这对双星距离天蝎座著名的红色亮星心宿二不远。鉴于其拥有周期3.56小时的光变,从40多年前被发现起,它一直被视作是一颗孤立的盾牌δ型星,也就是矮造父变星。盾牌δ型星属于脉动变星的一个子型,其星体的收缩膨胀导致了恒星光度的变化,有着自己的周光关系,也可以充当标准烛光使用。著名的牛郎星以及五帝座一均属此类,甚至还有人怀疑,测光标准星织女星也是盾牌δ型星的一员。

更确切地说,天蝎AR先前被当成了一颗大光变幅度盾牌δ型星。典型盾牌δ型星的V波段光变幅度在数小时的周期内可以达到0.003等到0.9等之间,而天蝎AR的光变幅度高至2等,对于这种类型的变星来说未免过高。为了明确天蝎AR等大光变幅度盾牌δ型星的性质,天文爱好者针对它们开展了监测活动。

天蝎AR的可见光(绿色)与红外(红色)光变曲线。(图片提供:Franz-Josef Hambsch)

2015年,比利时爱好者Franz-Josef Hambsch远程操控自己在智利建造的观测站,对天蝎AR进行了为期数周的观测。他获得的光变曲线证实了3.56的光变周期,但也确认该恒星的行为与盾牌δ型星不符。为了澄清其真实身份,他与业余同僚一道求助于职业天文学家。最终英国沃里克(Warwick)大学的Boris Gaensicke在得知此事后,说服了他有权使用甚大望远镜进行观测的同事,拍摄了天蝎AR的光谱。结果表明,这是一颗径向速度存在周期性变化的M型主序星,质量不及太阳的一半。如此速度的改变意味着它位于一个密近双星系统中,光变周期也就是系统的轨道运动周期。

由于轨道倾角不明,径向速度法只能给出天蝎AR不可见伴星的质量下限,大致在太阳的0.4倍左右。而红矮星光谱中显露出了原子发射线,它们来自其朝向伴星的一面,相对星体有所运动,说明了双星物质交换的发生。这些发射线背后的运动速度也为双星的质量比设了限。再结合系统洛希瓣的大小,伴星的质量应该介于太阳的0.81到1.29倍之间,是一颗白矮星。

艺术家笔下的天蝎AR系统。(图片提供:M. Garlick/University of Warwick/ESO)

含有白矮星成员的双星系统并不鲜见。但天蝎AR的特别之处是,澳大利亚望远镜致密阵(ATCA)从其中探测到了脉冲信号,这意味着系统中的白矮星具备非凡的脉冲特性。类似的脉冲在光学波段同样存在,周期不到2分钟,较典型射电脉冲星数毫秒到数秒不等的周期长得多,又远较主序星可能的自转周期为短。这让星体的辐射流量在双星光变的基础上又出现了数倍的变化,为恒星的光变曲线赋予了离散的外观。鉴于这些脉冲信号的表现和特性,还真不好单凭一个周期过长就将天蝎AR从脉冲星的行列中排除掉。

更古怪的是,天蝎AR的脉冲有着1.95分钟和1.97分钟两个周期接近的成分。较短的前一个周期的合理解释就是白矮星的自转,类似于中子星脉冲星,这颗白矮星也存在平行于磁轴的相对论性辐射束,在每个自转周期内定期扫过地球;而第二个周期应该是被轨道周期“再处理”后的拍频,白矮星的辐射束在轨道周期内扫过M型主序伴星的表面,并以稍长的周期被反射出去。该系统的存档数据表明,多年以来白矮星的自转也确实是在减慢的。考虑自转天体的能量损失方式,结合经典脉冲星的辐射模型,白矮星的自转损能确实可以应付扣除恒星辐射之后的系统光度超出,而毋须高吸积率。当然,如果认为系统中的致密星是中子星而非白矮星,事情反而就不那么简单了:理论计算表明,这样的中子星的能量损失不足,除非还有额外的吸积过程发生;但中子星吸积必然伴随有X射线的释放,天蝎AR的X射线光度又较弱,与通常的吸积中子星不甚相符,所以还是白矮星之说最为可靠。

天蝎AR系统紫外(a/e)、可见光(b/f)、红外(c/g)和射电(d/h)波段的脉冲图,左图以轨道周期为单位,右图以脉冲周期为单位。(图片来源:Marsh et al. 2016

白矮星是如何表现出脉冲性质的?回顾一下普通的中子星脉冲星,其必要的条件是快速自转以及强磁场。与源自大质量恒星坍缩并保有前身星大半角动量的中子星不同,白矮星在诞生时分并不具备高速的自转,所以它必然要通过某种渠道后天提速,比如双星吸积。如果要达到天蝎AR中的白矮星这样的转速,它最多要吸积0.015倍太阳质量的伴星物质,不过在磁场条件合适的情况下,0.002倍太阳质量的物质也可能足够了。整个吸积过程需要的时间大致在数千万年到上亿年之间,倒是远远小于系统十亿年的估测年龄。

强磁场白矮星自转供能形成脉冲的理论得到了偏振观测的证实。天蝎AR属于中介偏振星,拥有高达40%的强烈线偏振,且偏振在白矮星的自转周期和拍频周期内均有明显的规则变化,因此靠自转减慢供能的白矮星必然是强磁化的,磁场强度最高可达5亿高斯。更且天蝎AR的调制线偏振信号与蟹云脉冲星非常类似,进一步说明了它同普通脉冲星的相似之处。

天蝎AR的Stokes参量在一个白矮星自转周期内的演化。(图片来源:Buckley et al. 2017

与天蝎AR类似的脉冲白矮星是否存在?另一颗中介偏振星——宝瓶AE也是由一颗小质量恒星和一颗吸积中的强磁化白矮星组成,它倒是具有0.4%的光学脉动,但射电波段辐射虽强却相对稳定。也许白矮星的脉冲就是中介偏振星演化过程中的一个短暂阶段,鉴于天蝎AR的白矮星自转减慢时标只有1000万年,比系统的年龄小2个量级,观测不到太多的同类天体也属正常。

白矮星脉冲星的发现不仅开启了脉冲星研究的新可能,更昭示了现今天文爱好者的潜在力量——Hambsch通过对天蝎AR的监测,让职业天文学家注意到这颗恒星的诡异之处,进而证认出了它的本性,最终Hambsch也成了宣告新型脉冲星发现的论文中的一名作者。要知道天空中的变星数量很多,专业天文台不可能逐一开展长期监测,业余人士仍有不小的可能性在此作出新的发现。

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