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核物理,宇宙中“双黄蛋丢掉了蛋白”,这个过程终于被科学家看到了

2022-07-16 22:05     来源:科学大院     核物理粒子物理原子核

天空中绝大多数发光的天体都是恒星,恒星中大约一半位于双星系统中,它们在引力的作用下相互绕转。

有时,双星会形成一个“双黄蛋”:两个蛋黄是两颗恒星,而蛋白则是其中一颗恒星损失的气态物质(称为共有包层)。

中国科学院云南天文台供图

而这个“双黄蛋”的“蛋白”会离“蛋黄”越来越远……

这个“当蛋白离开蛋黄”的抛射过程,科学家花了近50年,终于看到了。

北京时间2022年7月7日,国际科学期刊英国《皇家天文学会月刊》(MNRAS)在线发布了中澳科学家联合完成的一项重要科学发现(点击文末“阅读全文”直达论文)。中国科学院云南天文台韩占文院士领导的团队和澳大利亚国立大学克里斯.沃尔夫(Chris Wolf) 领导的星图家(SkyMapper)团队,合作发现了一颗刚刚完成共有包层抛射的双星,被抛射的共有包层正在以大约每秒200公里的速度离开双星系统。这是科学家第一次在观测上发现双星共有包层演化这一关键过程的直接证据。

成果艺术示意图

(绘图:喻京川)

双星,为什么吸引人

双星在天体物理中特别重要,它解释了恒星世界的绝大部分谜团,会形成双黑洞、双中子星等在现代天文学研究中占有重要地位的天体。

近十几年来的多次诺贝尔物理学奖与双星演化形成的天体相关:比如Ia型超新星测距发现宇宙加速膨胀并推论出暗能量的存在,探测到双黑洞双中子星发射的引力波,开创了天文学研究的新窗口。

共有包层:虚胖的“我”包裹了默默变重的“你”

恒星在一生中总是试图处于自身引力与内部辐射压力之间的平衡状态。当恒星无法通过核聚变产生足够强的辐射压来维持其自身的平衡时,便开始了演化。(戳这里复习恒星的演化和结局)。

单颗恒星根据大小的不同会有不同的演化路径,而在双星中,恒星的命运更为复杂。

图片来源:中国科学院云南天文台

双星演化有一个至关重要的过程被称之为双星共有包层演化:由于发生了比较剧烈的物质交换,双星中的一颗恒星会因物质损失剧烈膨胀,这颗“虚胖”星的外层气态物质将另一颗恒星包裹在内,形成一个共有包层。

双星系统中恒星的既有演化路径被打断,随后的演化命运由共有包层演化过程决定,共有包层有可能被抛射,形成短周期双星,或者两颗恒星并合成一颗恒星。

澳大利亚国立大学校长,2011诺贝尔物理学奖获得者布莱恩·施密特(Brian Schmidt)指出,“共有包层是理解双星演化的关键。”

但是,想“看到”共有包层却很难。

缺失的一环

早在1976年,波兰裔美国科学家玻丹.帕琴斯基(B. Paczynski)就提出了双星共有包层演化过程。但是,近半个世纪以来,共有包层演化这个理论预言一直没有被真正观测到。

由于共有包层形成和抛射的持续时间很短,要想在茫茫宇宙中“正好”观测到它的存在,无异于大海捞针。正因为从未被观测到,科学家们也很难知道,双星演化的这一阶段到底发生了什么。

不过,现在这个过程终于被“看到了”。

经过多年的努力,这次我们终于看到了

在此研究中,中澳科学家通过澳大利亚国立大学2.3米宽视场望远镜和开普勒卫星等观测数据,在南半球发现了一颗距离我们23000光年的密近热亚矮星双星J1920,两颗星之间的距离越来越近,它们的周围有一个正在膨胀的壳层,以大约每秒200公里的速度离开双星。这个膨胀的壳层被证明是大约1万年前被双星抛射的共有包层。双星持续的轨道收缩表明,共有包层残余物质和双星的轨道运动摩擦会带走轨道角动量,这是除了磁滞效应、引力波辐射和质量损失之外的一种新的角动量损失机制。

J1920示意图

(图片来源:中国科学院云南天文台)

“看到”的背后,是韩占文院士研究团队20多年的工作积累。

韩占文院士的团队主要从事双星演化、特殊恒星形成、双星星族合成和Ia型超新星研究。他们对双星物质交换的稳定性和公共包层演化两个长期基本未解问题进行了深层次研究;建立了热亚矮星、Ia型超新星前身星等特殊恒星的形成模型,并发展了双星星族合成研究方法。

有了扎实的理论基础,研究团队才得以在SkyMapper提供的巡天大数据中发现候选双星(包含一颗热亚矮星和一颗白矮星),获取了双星的周期、倾角、距离等基本信息。进一步进行了光变曲线证认,进行了针对性的光谱观测,得到了这颗双星的视向速度变化曲线。综合多方信息,最终确定了外层膨胀壳层的存在,并且能够对其进行定量研究。

双星共有包层演化示意图

(图片来源:Springer 出版专著“The Common Envelope Phase”written by Henri M. J. Boffin & David Jones )

英国牛津大学教授Philipp Podsiadlowski对此评价说:该“重大发现的一个特别之处在于,同时看到了一个双星系统和大约1万年前向外抛射的共有包层。该发现不仅证实了双星系统中如何捕获恒星,彼此旋进,最终抛射共有包层的过程;同时,也可以定量地检验共有包层演化过程,大力促进相关理论的发展。尽管仍需要更多的观测来进一步进行限制该物理过程,我认为该工作是一个重大发现。”

从0到1,开创新的研究领域

在此之前,由于没有直接观测证据,科学家们只能大致地描述双星共有包层演化的过程,不能精确数值模拟。这一发现把理论设想变成了现实。科学家们不仅在观测上首次看到了双星共有包层演化的证据,还可以精确刻画这一关键过程。这是本领域一个里程碑的发现。

正如国家天文台赵刚研究员所说:“一项研究成果的重要性通常体现在天文学家科学思想的实现。这项观测研究,是一项从0到1的原创性工作,更是开辟了双星领域一个新的重要研究方向,进一步的研究必将使我们对双星演化,特别是演化晚期的双星性质有更为深刻和全面的理解。”

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