恒星“双人舞”怎么跳？中澳天文学家首次发现双星共有包层演化直接证据

宇宙中的恒星，超过50%属于双星系统。约半个世纪前，天文学家就提出理论预言，双星在演化过程中，有时会形成共有包层。直到最近，中澳天文学家联手，终于发现了一颗刚刚完成共有包层抛射的双星——人类首次看到了被双星抛向太空的、正在膨胀的共有包层！

这一重要发现将开启人们通过天文观测精确刻画双星共有包层演化的研究。北京时间2022年7月7日凌晨，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这一重要科学发现。

▲双星物质交流示意图

共有包层决定恒星“双人舞”结局

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，它们在引力的作用下相互绕转“舞蹈”。双星演化会改变恒星既有的演化命运，也解释了恒星世界的绝大部分谜团——最终会形成双黑洞、双中子星等在现代天文学研究中占有重要地位的天体。

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”：双星中的一颗恒星由于物质损失剧烈膨胀，将另一颗恒星包裹在外包层内，形成一个共有包层。

▲双星共有包层演化艺术图（绘图：喻京川）

当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。“这个过程有点像一颗孕育中的双黄蛋，共有包层好像蛋清，双星就如两个蛋黄。”中国科学院云南天文台韩占文院士解释，共有包层有可能被抛射出去，从而形成短周期双星，或者双星最终并合成一颗恒星。

天文大数据揭开包层神秘面纱

早在1976年，波兰裔美国科学家玻丹.帕琴斯基就提出了双星共有包层演化过程的理论。然而，近半个世纪以来，它一直没有被真正观测到。因此，科学家们很难知道这一阶段真实发生了什么。

▲双星共有包层演化示意图

近年来，世界天文学进入大数据时代。从澳大利亚南天巡天望远镜、开普勒卫星、Zwicky暂现源工厂等大量天文观测数据中，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.沃尔夫领导的星图家团队，合作寻找到了双星演化共有包层的直接证据。

▲J1920示意图

论文第一作者、云南天文台博士研究生李江丹介绍，此次发现的双星J 1920，距离地球2.3万光年，属于密近热亚矮星双星。“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，正以大约每秒200公里的速度离开双星。”她说，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。而且，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”。

为深入研究共有包层演化打开新途径

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。这一发现的重要意义，在于把一个理论设想变成了现实。澳大利亚国立大学校长、2011诺贝尔物理学奖获得者布莱恩·施密特表示，该重大发现为深入理解共有包层演化打开了新途径，“看到中澳天文学家的合作可以获得如此令人激动的成果，太棒了！”

这是双星演化领域的一个里程碑式发现。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，还可以通过观测来精确刻画这一关键过程。在此之前，科学家们只能大致唯象地描述这一过程，不能精确数值模拟，也没有直接观测证据。

“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。”中科院国家天文台研究员赵刚认为，尽管这一发现并不是在最先进的仪器上，也没有发表在《自然》《科学》这样的期刊上，“但这一重大发现是科研团队在很强的理论指导下、有目的和有针对性地寻找双星演化理论缺失的这一环”。

韩占文表示，天文大数据时代的到来，为恒星稀有天体搜寻提供了宝贵机遇，“未来十年，我们将利用更多天文大数据进行更深入研究，争取准确描述双星演化的基本过程，建立完整的双星演化证据链”。

　　作者：许琦敏

　　图片：中科院云南天文台提供

责任编辑：任荃

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