中國天文學家揭開長軌道周期毫秒脈衝雙星起源

中國科學院雲南天文台王博研究員等人在毫秒脈衝雙星領域取得新進展，解釋了長軌道周期毫秒脈衝雙星的形成。

毫秒脈衝雙星（Millisecond pulsars）通常由一顆脈衝星加上一顆白矮星組成的雙星系統。在該系統中，脈衝星的自轉週期小於30毫秒（每秒旋轉幾十次、甚至上百次），表面磁場在10⁸到10⁹高斯（Gauss）之間，認為起源於低質量X射線雙星。 毫秒脈衝雙星是研究雙星演化過程中一些極端物理過程的重要天體，可以用來研究中子星的物態方程，限制中子星的吸積物理，還可以用來探索雙星演化過程中公共包層拋射、角動量損失機制等。
　　
近年來，觀測上發現越來越多軌道周期在五十天到五百天的毫秒脈衝雙星，但是這些長軌道周期毫秒脈衝雙星的起源仍不清楚。為此，王博等人提出了氧氖白矮星+紅巨星模型來解釋這類天體的形成。

在該模型中，由於雙星軌道距離長，伴星在演化到紅巨星時才充滿洛希瓣，進而向氧氖白矮星轉移物質（上圖）。吸積的物質在氧氖白矮星表面穩定燃燒，當其質量增加到錢德拉塞卡（Chandrasekhar）質量極限時，鎂和氖的電子俘獲導致白矮星內部電子簡併壓減小，使整個星體塌縮成中子星。隨後，紅巨星由於自身膨脹繼續向中子星轉移物質，吸積的物質通過釋放重力能產生X射線輻射。 在獲得物質及角動量後，中子星自轉逐漸加快，達到毫秒量級，而此時紅巨伴星由於損失物質形成了一顆氦白矮星，最終產生毫秒脈衝雙星。 該模型可以解釋長軌道周期毫秒脈衝雙星的形成。
　　
由氧氖白矮星塌縮成中子星的過程被稱為吸積致塌縮（Accretion-induced collapse）。 吸積致塌縮過程是由恆星演化理論在四十年前預言的氧氖白矮星的演化結局，將產生中子星系統。 吸積致塌縮型超新星可以解釋球狀星團中毫秒脈衝雙星的形成問題。 儘管在觀測上有大量間接證據支持這類超新星的存在，但由於其非常暗、亮度變化快，到目前為止仍沒有觀測證認。 王博等人的工作進一步間接支持這類天體的存在。

【圖：美國太空總署；文：節錄自中國科學院雲南天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】 研究全文刊登在2022年3月出版的英國《皇家天文學會月報》第510卷第4期；標題是： Formation of millisecond pulsars with long orbital periods by accretion-induced collapse of white dwarfs