比太陽還重的天體，被壓縮在直徑不到30公里的空間內(nèi)，會是怎樣的存在？
它，就是宇宙中一種能量“爆表”的神秘天體——中子星，其直徑一般只有20公里左右，是質(zhì)量為8至25倍太陽質(zhì)量的恒星“死亡”后核心留下的致密天體。
(相關(guān)資料圖)
近日，廈門大學天文學系教授顧為民的研究團隊及其合作者，在距離地球約1037光年的銀河系中發(fā)現(xiàn)了一顆特殊的寧靜狀態(tài)中子星，它還有一顆約為0.6倍太陽質(zhì)量的紅矮星伴星。兩個天體組成一個雙星系統(tǒng)，每6.6小時相互繞轉(zhuǎn)一周，猶如一對翩翩起舞的伙伴。這項研究成果日前發(fā)表在國際權(quán)威的天文刊物之一的《自然·天文》上。
被“舞伴”出賣的中子星
1967年，當?shù)谝活w中子星同時也是第一顆脈沖星被探測到時，曾被誤以為是外星人發(fā)來的信號。隨著更多的中子星被探測到，天文學者發(fā)現(xiàn)，一些中子星表面存在強大的磁場，或通過吸積周圍物質(zhì)產(chǎn)生劇烈的X射線輻射。
由論文第一作者、廈門大學天文學系伊團博士繪制的單線譜雙星系統(tǒng) 受訪者供圖
“也因此，通常通過射電或X射線觀測就能搜尋到這些中子星。”顧為民解釋道。中子星記錄了大質(zhì)量恒星的質(zhì)量分布、演化歷史、銀河系重元素增豐等關(guān)鍵信息。“比如，黃金可能主要來源于中子星的碰撞。”
可是，有一類中子星頗為低調(diào)。它不會發(fā)射射電脈沖，也沒有吸積物質(zhì)產(chǎn)生高能輻射。因為不可見，現(xiàn)有的技術(shù)手段無法探測到它。
“但它的‘舞伴’會‘出賣’它。”顧為民說。
他解釋說，一個明亮的恒星和一個不可見的天體，可以組成一類特殊的雙星系統(tǒng)“單線譜雙星”，恒星在不可見天體的引力場中做周期性運動，如同一對“舞伴”。根據(jù)光譜的多普勒移動，能推斷出它們的屬性，搜尋“塌縮星”（即黑洞）和中子星。
“光譜能夠揭示天體的運動狀態(tài)、溫度、質(zhì)量和化學成分，就像它們的‘身份證’。”顧為民說，但此法有一定的局限性，需要捕捉到被測天體的多達十余次甚至幾十次的重復(fù)曝光的光譜數(shù)據(jù)。
如果被測天體只有2至5次連續(xù)曝光的光譜呢？
這樣的天體大量存在于LAMOST望遠鏡（又稱“郭守敬望遠鏡”）所發(fā)布的恒星光譜數(shù)據(jù)中。
坐落在河北興隆的郭守敬望遠鏡，是我國自主研發(fā)的主動反射式施密特望遠鏡，具有領(lǐng)先世界的恒星光譜獲取率和大規(guī)模時域巡天的優(yōu)勢。它所發(fā)布的約2000萬條恒星光譜數(shù)據(jù)，是國際上所有其他光學巡天項目發(fā)布恒星光譜數(shù)據(jù)總和的兩倍。
郭守敬望遠鏡 資料圖片
“如同一條盛產(chǎn)黃金的河流，這個數(shù)據(jù)庫是所有天文學者的‘獵場’，但許多天體的曝光光譜有限，只能先被‘晾在一旁’，如同璞玉等待著被挖掘。”顧為民說。
2019年，論文的共同通訊作者之一、中科院國家天文臺研究員劉繼峰發(fā)起“LAMOST黑洞獵手計劃”，團隊由中科院國家天文臺、廈門大學、南京大學、中科院上海天文臺、武漢大學等跨院校研究組的數(shù)十名成員組成。他們的目標，是基于LAMOST望遠鏡的時域巡天數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并測量更多的黑洞、中子星等致密天體。
顧為民潛心天體物理的理論研究已有20余年，在“LAMOST黑洞獵手計劃”啟動的前一年，他從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵉赜^測天體，率先提出了一個新方法——
利用相鄰兩次曝光的視向速度變化率，結(jié)合時域測光得到的光變曲線所暗含的軌道周期信息，來獲取單線譜雙星中不可見天體的質(zhì)量下限。
“如同400米跑步，一圈下來僅捕捉到三個位置的運動速度，但也值得推測是否能被研究。”顧為民說，這個方法能估算出不可見天體質(zhì)量的最小值，從而確定它是否為中子星候選體。
顧為民在帕洛瑪天文臺開展觀測工作。 受訪者供圖
在近半年的時間里，顧為民團隊在電腦屏幕前日日守到深夜，在3000多個可能包含致密天體的單線譜雙星中尋找目標，猶如沙里淘金。最終，他們不僅將研究目標縮至10余個，還為發(fā)現(xiàn)一批致密天體候選源奠定了基礎(chǔ)。
一次“孤注一擲”的觀測
不過，10余個“候選金子”每個僅有2至5次連續(xù)曝光的光譜，仍難以給出一個科學可信的結(jié)論。
進一步研究，團隊終于注意到了一個雙星系統(tǒng)。“它是由一顆0.6倍太陽質(zhì)量的紅矮星和一顆未被望遠鏡探測到的不可見天體組成，這個不可見天體極可能是一個致密天體。”顧為民說。
需要增加觀測次數(shù)，收集足夠多的數(shù)據(jù)，方能揭開神秘天體的“面紗”。
通過“競標”，顧為民團隊獲得了美國帕洛瑪天文臺海爾5米望遠鏡兩個晚上的觀測時間。經(jīng)過半年的等待，2019年3月，顧為民與廈大天文系王俊峰教授抵達帕洛瑪天文臺，準備對數(shù)個雙星系統(tǒng)進行時域光譜觀測。
誰知天公不作美，帕洛瑪山連續(xù)下了多日大雪，第一個晚上鵝毛大雪仍下不停，空氣濕度過大，觀測機會打了水漂。
第二天，雪停了！兩人來不及歡呼，急著調(diào)整觀測計劃。“與400米長跑相比，50米的時間更短。只剩一個晚上，我們決定孤注一擲，將觀測的重點放在一個軌道周期短的目標上。”顧為民說。
這正是后來發(fā)現(xiàn)的雙星系統(tǒng)中的那顆中子星。
此后，結(jié)合美國凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的高精度測光觀測，這顆天體的“面紗”終被揭開：該雙星系統(tǒng)中不可見伴星的質(zhì)量約為1.24倍太陽質(zhì)量，可能是中子星或極大質(zhì)量白矮星。團隊又對雙星系統(tǒng)的紫外光學能譜進行仔細分析，未發(fā)現(xiàn)來自白矮星的紫外輻射，因而推斷該伴星是一顆中子星。
這是天文學界首例利用時域光學觀測發(fā)現(xiàn)的中子星候選體。
值得一提的是，就在不久前，利用時域光學觀測，顧為民團隊發(fā)現(xiàn)了另一個處于寧靜態(tài)的中子星候選體與類太陽矮星組成的雙星系統(tǒng)，該系統(tǒng)距離地球約400光年，這是目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的包含中子星的雙星系統(tǒng)中距離地球最近的一個。相關(guān)結(jié)果已在科研論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org上公布，正式論文即將投稿。
顧為民說，這兩顆寧靜態(tài)中子星的發(fā)現(xiàn)，顯示了使用時域光學觀測來發(fā)現(xiàn)非吸積和無脈沖信號的寧靜態(tài)中子星的可行性，為搜尋更多神秘天體打開了一扇新的窗口。（記者 林霞）