“與精靈共舞”之白矮星雙星_風聞

“夜空中的迷你精靈”

——白矮星

夜空中鑲嵌着形形色色的恆星，它們的質量、大小、光度、年齡都不盡相同，堪稱幾代同堂。年年歲歲花相似，歲歲年年“星”不同，天上的恆星也在隨時間而演化，只不過這種演變的時間尺度非常長。恆星在演化晚期的死亡階段，因能源耗盡而引力坍縮為個頭非常小的高密度天體，即緻密星，主要有白矮星、中子星、和黑洞三類。

恆星死亡時以何種緻密星的形式而存在，主要取決於其質量。白矮星是質量小於8~10.8M⊙的主序星死亡後的產物，而大多數恆星的質量在約0.1到10 M⊙之間，這意味着97%的恆星會演化為白矮星。因此，白矮星也是銀河系中較為普遍的天體之一。

與正常恆星相比，白矮星是電子簡併矮星，其典型特點是密度高（~106 g/cm3）、半徑小（~10-2R⊙）、光度低、表面温度高。如果用白矮星這種高密度的材料做一塊方糖，重量就相當於一輛小汽車！類似太陽這樣的恆星，演化成白矮星後的質量大約為0.6 M⊙，而體積卻僅有地球那麼大。

白矮星內部的電子簡併壓力與引力抗衡，從而維持白矮星穩定的結構，白矮星的質量和半徑之間存在關係R∝M-1/3，即白矮星的質量越大，體積反而越小。

因此，白矮星的質量存在一個上限。1935年，錢德拉塞卡計算得出了白矮星的極限質量為1.44 M⊙，稱為“錢德拉塞卡極限”。錢德拉塞卡也因此獲得了1983年的諾貝爾物理學獎。由於白矮星的上述種種獨特性和神秘性，它一直都是天文學家非常感興趣的天體。

圖1. 白矮星與其它天體的大小對比圖 （圖源：https://www.skymarvels.com/infopages/scalemain.htm）

“與精靈共舞”

——白矮星雙星

天空中多數恆星都不是孤孤單單存在的，而是位於雙星系統亦或多星系統中，白矮星也不例外。歷史上第一顆被發現的白矮星就是位於三星系統中。第二顆被發現的白矮星（天狼星B）是位於雙星系統中，它的主星是夜空中最亮的恆星——鼎鼎有名的天狼星A。

一直到1917年發現的第三顆白矮星（範馬南星）才是一顆真正孤獨的白矮星，即第一顆不是從多星系統中發現的白矮星。由於雙星演化可以幻化出許多有趣的天體和現象，而白矮星本身又極其獨特和神秘，因此含有至少一顆白矮星的雙星即白矮星雙星，也自然成了非常吸引天文學家的特殊天體。

“緣起緣滅”

——白矮星雙星的前世來生

白矮星雙星的前身是主序星雙星。大多數（約四分之三）的主序星雙星屬於寬距雙星系統，兩子星各自像單星一樣獨立演化，不發生交互作用。其餘約四分之一的主序星雙星則是密近系統，其演化會受到雙星交互的影響。

當兩子星中質量較大的那顆演化到巨星或漸近巨星支階段時，會經歷動力學不穩定的質量轉移，從而進入公共包層階段。當公共包層拋射出去後，可能形成一個密近的後共包層雙星，即包含一顆緻密天體（通常為白矮星）和一顆主序星的白矮星雙星系統。

通過由磁製動和/或引力波輻射驅動的角動量丟失機制，這種密近的白矮星+主序星組成的後共包層雙星會進一步演化，依賴於恆星質量和軌道間距，可能會經歷第二個公共包層階段，從而形成雙白矮星或白矮星+氦星組成的雙星系統；亦或進入一個半相接階段，形成激變變星或超軟X射線源等。

這些天體還有可能進一步通過單簡併渠道（白矮星從伴星吸積）或雙簡併渠道（雙白矮星併合）爆發為Ia型超新星（簡寫為SN Ia）從而為其“星命”的結束劃上絢麗的句號。

圖2. 密近白矮星雙星的形成和演化簡圖（圖源：Toloza et al. 2019）

而SN Ia是宇宙學尺度上非常重要的距離探針，通過SN Ia測距發現宇宙加速膨脹從而揭示出暗物質和暗能量存在的研究成果，還獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

另外，SN Ia在星系化學演化方面也發揮着很重要的作用。儘管它在天文學中地位顯赫，但是目前關於SN Ia的形成卻尚不清楚，對其前身星的認識仍很缺乏，這直接影響了SN Ia的測距精度並阻礙精確宇宙學的發展。

而作為SN Ia眾多前身星之一的白矮星+AFGK型主序星雙星（簡寫為WD+AFGK）因其數目較多、無正在進行的吸積過程、只經歷過一次公共包層演化、可同時用於研究SN Ia的多種形成模型等諸多優點而受到觀測天文學家的青睞，被優選來研究SN Ia的形成。

此外，WD+AFGK雙星還可以用於研究雙星演化中非常重要卻仍知之甚少的公共包層演化階段。因此，從觀測上獲得一個大樣本的WD+AFGK雙星勢在必行。

“謀後而定，行且堅毅”

——雄心勃勃的白矮星雙星巡天項目

搜尋WD+AFGK雙星並不容易，在光學波段白矮星與其AFGK主序星亮度差異巨大，白矮星的亮度通常僅為其主序星伴星的約百分之一，完全被其掩蓋。且此前已有的巡天項目（如SDSS）缺乏大樣本的有紫外數據的亮AFGK星，這些都導致WD+AFGK的搜尋工作異常困難。歷史上已發現的WD+AFGK雙星僅有約100顆，且多數還是寬距系統。

近年來，我國天文學家和國際天文學家聯合啓動了一個極具挑戰的白矮星雙星巡天觀測研究項目（White Dwarf Binary Pathways Survey），旨在從觀測上獲得一個大樣本的WD+AFGK雙星，並進一步找出其中的密近系統，測量其恆星參數和軌道週期，從而預測其未來的演化（用於研究SN Ia的形成）並重構其過去的演化（限制公共包層演化）。

圖3. LAMOST/RAVE/Gaia巡天望遠鏡簡圖（圖源：LAMOST/RAVE/Gaia官網）

該國際研究團隊克服重重困難，採用有效温度-紫外顏色選擇法目前已從LAMOST/RAVE/Gaia巡天數據中累計獲得了近3000顆WD+AFGK雙星，使其數目翻了近30倍。其中，幾乎一半是從我國LAMOST巡天數據中搜尋出的。

搜尋出大樣本的WD+AFGK雙星還只是萬里征途的第一步，更為重要的是找出其中的密近系統並測量出恆星參數和軌道週期，為了保證最終科學目標的實現及該巡天項目的順利實施，研究團隊計劃了周密的方案逐步施行：

搜尋出大樣本的WD+AFGK雙星：如前所述，這一步已成功實現；

進一步搜尋出密近WD+AFGK雙星：對獲得的大樣本WD+AFGK中較亮的目標源（通常選擇亮於13星等的）開展高分辨率光譜觀測（分辨率高於20000，以儘可能探測出軌道週期較長或軌道傾角較小的密近系統），獲得分佈在不同觀測夜的至少兩條光譜，測量視向速度變化，有較大視向速度變化的即為密近系統候選體，目前研究團隊已識別出近100顆密近系統，初步實現目標；

測量密近WD+AFGK雙星的軌道週期和恆星參數：對上一步中探測出的密近系統進一步開展密集的後隨高分辨光譜觀測獲得視向速度變化曲線並測量出軌道週期和恆星參數等，目前正如火如荼地開展中，已完成部分目標的軌道週期等參數測量；

實現終極科學目標：基於測量出的軌道週期等參數，預測這些密近WD+AFGK雙星未來的演化，來檢驗SN Ia的多種形成模型；並重構它們過去的演化，來研究雙星演化中非常重要的公共包層演化階段，檢驗公共包層拋射效率對伴星質量的依賴情況。

這些都意味着該巡天項目必將需要一系列繁重的後隨觀測，近年來該研究團隊已集結了國內外數十台望遠鏡開展後隨觀測任務。其中包括江湖上聲名遠播的哈勃空間望遠鏡（用於獲得紫外波段光譜）。我國的2.16米光學望遠鏡（用於獲得高分辨率光學光譜）和興隆基地小望遠鏡（用於獲得光變曲線）也都在該項目中發揮着舉足輕重的作用。

數年的時光流逝，其中藴含了無數個不眠的觀測之夜及繁瑣的數據處理分析，值得欣慰的是在團隊成員的共同努力下，該項目目前進展順利，系列成果的前五篇已發表在國際知名天文學期刊上，並獲得國際同行高度評價，稱讚這是一個重大且重要的研究項目。前路依然漫漫，讓我們一起期待後續的研究成果陸續出爐。修天文如修心，忘卻世間營營，夜空中的星辰讓我們內心安寧。

作者 · 簡介 

任娟娟，中國科學院國家天文台星雲計劃副研究員，主要從事白矮星雙星、銀河星雲、空間光學天文數據處理方法等方面的研究工作。