中國天文學家利用郭守敬望遠鏡發現最小質量的極低質量白矮星前身星

中國科學院國家天文台袁海龍、白仲瑞、張昊彤等人和雲南天文台李振威、陳雪飛等人利用郭守敬望遠鏡低分辨率光譜，結合蓋亞（Gaia）衛星數據以及帕洛瑪山天文台（Palomar Observatory）的海爾（Hale）望遠鏡光譜數據以及卡塔琳娜（Catalina）和茲威基瞬變設施（Zwicky Transient Facility，簡稱 ZTF）多波段測光數據，發現一個包含極低質量白矮星前身星的雙星系統，其伴星是一顆不可見的緻密天體。

這顆極低質量白矮星的前身星質量大約只有0.09倍太陽質量，低於此類天體理論預測的質量下限，該發現對極低質量白矮星的形成模型提出了新的挑戰。該研究成果證實郭守敬望遠鏡搜尋和研究這類特殊天體的能力，同時也是研究人員利用郭守敬大規模巡天光譜數據的優勢，在搜尋緻密天體方面取得的又一項重要進展。

根據現有的恆星演化理論，中小質量恆星的最終演化形態以碳氧核白矮星為主，還有一些大質量的氧氖核白矮星，以及小質量的氦核白矮星。極低質量白矮星是一類氦核白矮星，其質量通常小於0.3倍太陽質量。現有的觀測資料顯示幾乎所有的極低質量白矮星都處於雙星系統中，其初始的主序星質量大約為1至1.5倍太陽質量之間，之後由於雙星相互作用損失了大部分包層質量。

當物質交流結束，恆星內核與包層組成的天體，即極低質量白矮星的前身星，可以在近恆定光度狀態維持較長的時間，並在隨後的演化中進入白矮星冷卻階段。由於極低質量白矮星的獨特包層結構，其在星震學、恆星演化及雙星演化領域具有重要的科學價值。此外，含有緻密伴星的短軌道周期極低質量白矮星雙星系統是一類重要的連續重力波源，它們是當前以及未來重力波研究中最重要的目標源之一。

袁海龍等人發現的這個雙星系統的軌道周期為0.219658天，可見恆星表現出F型主序星的光譜特徵，光變曲線的特徵表明這顆可見恆星發生顯著的潮汐形變，拉伸變形成為了水滴狀。據估計，該雙星系統中可見星的質量約為0.09倍太陽質量。由於該星質量小，溫度高，且光譜沒有明顯的發射線特徵，研究團隊認為這個可見恆星應該是一顆已經停止了物質傳輸的極低質量白矮星前身星。

現有的極低質量白矮星理論模型和觀測統計都顯示，極低質量白矮星可能存在一個大約0.14-0.16倍太陽質量的質量下限。 該發現對極低質量白矮星的形成模型提出了新的挑戰，對完善極低質量白矮星的形成機制具有重要的科學意義。

另外，系統的不可見緻密伴星質量約為1.0倍太陽質量,大概率是白矮星，但也不排除是中子星的可能。 團隊將繼續申請國外大望遠鏡觀測時間，對該雙星系統開展進一步的研究。

【圖：美國加州理工學院；文：節錄自中國科學院國家天文台2023年3月23日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2023年2月21日出版的《天體物理學報》；ELM of ELM-WD: An Extremely-low-mass Hot Star Discovered in LAMOST Survey