中國天文學家解釋極低伴星質量黑寡婦脈衝星的起源問題


中國科學院雲南天文台博士研究生郭雲浪與研究員王博等人在毫秒脈衝雙星領域獲得新進展,解釋極低伴星質量黑寡婦脈衝星的起源問題。
  
毫秒脈衝星是一類高速自轉的中子星,其自轉週期小於30毫秒,一般認為起源於低質量X射線雙星。在X射線雙星演化期間,中子星通過吸積伴星的物質獲取角動量,以此來加速自轉。對毫秒脈衝雙星的研究具有重要的科學意義。短軌道周期毫秒脈衝雙星是重要的低頻重力波源。這類天體還可以用來揭露中子星的物理狀態,以及在自轉加速過程中,中子星表面磁場的衰退等物理過程。
  
觀測發現了一些特殊的射電掩食毫秒脈衝雙星,它的軌道周期大約在一天以內。 它們的伴星受到脈衝星的脈衝輻射剝離物質,就好像蜘蛛在蠶食它們的伴侶。 因此科學家以黑寡婦(black widow)和紅背蜘蛛(red back)來命名這些脈衝星。黑寡婦和紅背脈衝星的主要差別在於它的伴星質量大小:黑寡婦的伴星質量通常小於0.05倍太陽質量,而紅背的伴星質量在0.1到1倍太陽質量之間。
  
最新的觀測顯示黑寡婦脈衝星可以分為兩類,一類的伴星質量大於0.01倍太陽質量(上圖,區域A),而另一類則有著極低的伴星質量,即小於0.01倍太陽質量(上圖,區域B)。 以前的學者提出了幾種用來解釋黑寡婦脈衝星起源的相關模型,但對於有著極低伴星質量的黑寡婦脈衝星的起源問題一直不清楚。

王博研究員等人於2021年提出形成極緻密X射線雙星的中子星+氦星模型。基於該模型,項目組進一步考慮了脈衝輻射對氦星的蒸發過程。研究顯示,由於脈衝輻射對伴星物質的剝離,導致伴星質量的快速降低,從而可以解釋極低伴星質量黑寡婦脈衝星的形成。 此外,伴星的質量能夠在哈勃時標內下降到千分之一倍太陽質量,甚至十萬分之一倍太陽質量。 當毫秒脈衝雙星中的伴星質量足夠低時,伴星就會因潮汐作用瓦解掉,從而留下一顆孤立毫秒脈衝星,這個過程還為孤立毫秒脈衝星提供了一種可能的形成途徑。

【圖、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7月15日出版的英國《皇家天文學會月報》;標題是:Formation of black widows through ultra-compact X-ray binaries with He star companions

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