中歐合作科學(xué)衛(wèi)星“天關(guān)”捕捉到罕見X射線雙星系統(tǒng)

中新網(wǎng)北京2月19日電 (記者 孫自法)中歐合作科學(xué)衛(wèi)星“天關(guān)”(又稱“愛因斯坦探針”，EP)最新又收獲一項(xiàng)重要天文發(fā)現(xiàn)——其搭載的寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡(WXT，“萬星瞳”)在銀河系鄰近的小麥哲倫云星系內(nèi)，捕捉到來自一對罕見天體的短暫且高能量的X射線輻射事件，并利用其搭載的后隨X射線望遠(yuǎn)鏡(FXT，“風(fēng)行天”)進(jìn)行定向觀測，獲取到該輻射源爆發(fā)期間更為詳細(xì)的X射線信息。

天關(guān)衛(wèi)星藝術(shù)想象圖(CREDIT:　ESA/CAS)。中國科學(xué)院國家天文臺 供圖　　中國科學(xué)院國家天文臺2月19日向媒體通報(bào)說，“天關(guān)”衛(wèi)星這一發(fā)現(xiàn)為探索大質(zhì)量恒星的相互作用與演化開辟新途徑，印證該衛(wèi)星在捕捉宇宙中轉(zhuǎn)瞬即逝的新型X射線源方面具有獨(dú)特能力。其相關(guān)研究成果作為歐洲空間局(ESA，歐空局)首篇基于“天關(guān)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)主導(dǎo)的論文，北京時間2月18日夜間在國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理雜志快報(bào)》(ApJL)上線發(fā)表。

罕見天體組合“難以捉摸”

這對奇特的天體組合包含一顆質(zhì)量超過太陽10倍的熾熱大恒星，以及一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)闹旅馨装?。目前科學(xué)界僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)此類系統(tǒng)，而此次是科學(xué)家首次能夠全程追蹤這種奇特雙星系統(tǒng)從X射線突然爆發(fā)到逐漸消退的全過程?！叭f星瞳”探測到該奇特天體的X射線輻射后，為追溯這個編號為EP J0052的新天體的信號來源，科學(xué)家隨即調(diào)用了“天關(guān)”的“風(fēng)行天”進(jìn)行定向觀測?！叭f星瞳”的發(fā)現(xiàn)同時觸發(fā)美國兩臺相關(guān)X射線望遠(yuǎn)鏡對該天體進(jìn)行觀測；歐空局的XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡也在觸發(fā)信號18天后實(shí)施后續(xù)觀測。

“我們在監(jiān)測X射線暫現(xiàn)源時，偶然發(fā)現(xiàn)了小麥哲倫云中的這個新的X射線亮點(diǎn)。我們意識到正在觀察的是某種不尋常的東西，只有‘天關(guān)’衛(wèi)星能夠捕捉到。”西班牙空間科學(xué)研究所博士后歷西奧·馬里諾(Alessio Marino)說，這是因?yàn)?，在目前監(jiān)測X射線天空的望遠(yuǎn)鏡中，“萬星瞳”是唯一一個能夠以足夠的靈敏度看到低能X射線的望遠(yuǎn)鏡，從而捕捉到這個新的X射線源。

最初，科學(xué)家們認(rèn)為EP J0052可能是一個常見的X射線雙星系統(tǒng)，由一顆中子星吞噬其大質(zhì)量恒星伴星的物質(zhì)組成。然而，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析揭示出一個不同的真相?？茖W(xué)家們通過分析不同波長范圍內(nèi)的X射線變化，以及爆發(fā)物質(zhì)中存在的氮、氧和氖等元素，最終確認(rèn)了這對罕見天體的真實(shí)身份。

得益于“天關(guān)”在天體最初爆發(fā)時便成功捕捉到信號，科學(xué)家們得以對來自不同儀器的多批次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。他們通過研究6天內(nèi)光在一系列X射線波長上的變化，并識別出爆發(fā)物質(zhì)中存在的元素，例如氮、氧和氖，其分析結(jié)果為研究提供了關(guān)鍵線索。

“我們很快意識到，這是一個極為罕見和珍貴的發(fā)現(xiàn)，是一對非常難以捉摸的天體?！睔v西奧·馬里諾解釋說，這對罕見的天體由一顆被稱之為Be星的大質(zhì)量恒星和一顆被稱為白矮星的恒星“遺骸”組成，Be星的質(zhì)量是太陽的12倍，而白矮星則是一個緊湊且超高密度的天體，其質(zhì)量與太陽相當(dāng)。

這兩顆恒星緊密地相互環(huán)繞運(yùn)行，白矮星憑借其強(qiáng)大的引力場從其伴星那里不斷拉扯物質(zhì)。隨著越來越多的物質(zhì)(主要是氫)不斷落在白矮星這個緊湊的天體上，其強(qiáng)大的引力將這些物質(zhì)不斷壓縮，直至引發(fā)一場失控的核爆炸。這一過程產(chǎn)生一道極為明亮的閃光，其波長范圍涵蓋了從可見光到紫外線以及X射線的廣泛區(qū)域。

揭開雙星故事“費(fèi)解謎題”

不過，“天關(guān)”衛(wèi)星最新這一發(fā)現(xiàn)也令人費(fèi)解：Be型大質(zhì)量恒星通常會迅速耗盡其核燃料儲備，其生命歷程短暫而激烈，大約僅持續(xù)2000萬年。而它的伴星通常是類似太陽的恒星的坍縮遺跡，如果單獨(dú)存在，其壽命可達(dá)數(shù)十億年。

由于雙星系統(tǒng)中的恒星通常一起形成，那么為何壽命本應(yīng)短暫的恒星仍然光芒四射，而壽命本應(yīng)更長的恒星卻已經(jīng)死亡了呢？

科學(xué)家們?yōu)榇伺μ剿饕詫で笠粋€合理的解釋。他們認(rèn)為，這對雙星最初是一對匹配度較高的雙星系統(tǒng)，由兩顆質(zhì)量較大的恒星組成，其質(zhì)量分別約為太陽的6倍和8倍。質(zhì)量更大的恒星更早耗盡了其核燃料并開始膨脹，向其伴星拋射物質(zhì)。最初，其膨脹的外層氣體被伴星吸引；隨后，其剩余的外層殼層被拋射出去，形成了一個包裹著兩顆恒星的包層。這個包層后來演化為一個盤狀結(jié)構(gòu)，并最終消散。

在這場戲劇性的演化過程結(jié)束后，伴星的質(zhì)量增長至太陽的12倍(也就是Be星)，而另一顆恒星的核心則坍縮為一顆質(zhì)量略超太陽的白矮星。如今，白矮星開始從Be星的外層吸取并吞噬物質(zhì)。

“這項(xiàng)研究為我們揭示了恒星演化中一個極為罕見的階段，這是兩顆恒星之間復(fù)雜物質(zhì)交換的結(jié)果?！睔W空局的研究員兼X射線天文學(xué)家阿什利·克瑞姆斯(Ashley Chrimes)評論道，“觀察到一對相互作用的大質(zhì)量恒星能夠產(chǎn)生如此引人入勝的結(jié)果，令人著迷?！?/p>

歐空局的XMM-牛頓任務(wù)在“天關(guān)”首次觀測到EP J0052的18天后對該方向進(jìn)行后續(xù)觀測，但未能再次探測到信號。這表明此次耀發(fā)的持續(xù)時間相對較短。

此次短暫爆發(fā)的持續(xù)時間，以及氖和氧的存在，暗示雙星中白矮星的質(zhì)量相當(dāng)大，可能比太陽重約20%。其質(zhì)量接近所謂的錢德拉塞卡極限，一旦超過這一極限，恒星將繼續(xù)坍縮，最終可能變成一顆更為致密的中子星，或者作為超新星爆發(fā)。

“天關(guān)”國際合作意義深遠(yuǎn)

“天關(guān)”衛(wèi)星由中國科學(xué)院主導(dǎo)，歐空局、德國馬普地外物理研究所和法國航天局以國際合作形式參與衛(wèi)星研制。此外，“天關(guān)”衛(wèi)星在數(shù)據(jù)共享和科學(xué)管理上，組建一支300多人的國際聯(lián)合科學(xué)團(tuán)隊(duì)，成員來自10多個國家的300余位科學(xué)家，為“天關(guān)”的科學(xué)成果產(chǎn)出提供極為強(qiáng)大和廣泛的國際力量。

近年來，中國在空間科學(xué)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，但在國際合作方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在這樣的國際背景下，“天關(guān)”衛(wèi)星的成功國際合作顯得尤為不易和珍貴。

“天關(guān)”衛(wèi)星捕捉到一個奇特的雙星系統(tǒng)發(fā)出的X射線閃，該系統(tǒng)由一顆比太陽大10倍以上的熾熱大恒星和一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)男⌒桶装墙M成(CREDIT:ESA;　LICENCE)。中國科學(xué)院國家天文臺 供圖　　“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺袁為民研究員表示，EP J0052新天體的成功探測，也是“天關(guān)”衛(wèi)星成功國際合作的體現(xiàn)。

“Be星與白矮星雙星系統(tǒng)的爆發(fā)極為罕見，因?yàn)樗鼈冏钸m合用低能X射線進(jìn)行觀測。‘天關(guān)’的問世為我們提供了獨(dú)特的機(jī)會，讓我們能夠捕捉到這些稍縱即逝的天體源，并檢驗(yàn)我們對大質(zhì)量恒星演化的理解?！睔W空局“天關(guān)”衛(wèi)星項(xiàng)目科學(xué)家埃里克·庫爾克斯(Erik Kuulkers)指出，這一發(fā)現(xiàn)充分展示出“天關(guān)”衛(wèi)星變革性的探測能力。

袁為民強(qiáng)調(diào)，“天關(guān)”衛(wèi)星的國際合作具有深遠(yuǎn)意義：一是顯著提升中國在國際空間科學(xué)時域天文領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)，展現(xiàn)中國在空間科學(xué)領(lǐng)域的開放與合作姿態(tài)；二是國際合作促進(jìn)技術(shù)和科學(xué)的交流與創(chuàng)新，推動中國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展；三是通過數(shù)據(jù)共享和協(xié)同觀測，“天關(guān)”衛(wèi)星還為全球天文學(xué)研究提供重要的X射線數(shù)據(jù)支持，有力推動高能時域天文學(xué)的觀測與研究發(fā)展。(完)