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LAMOST發現一顆從未被觀測到的新型激變變星

  近日,一個由美國、德國和中國天文學家組成的國際研究團隊利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)數據發現了一顆十分罕見的新型激變變星(命名為LAMOST J0140355+392651),該天體的伴星正處于向極低質量白矮星演化的過渡階段,在這之前理論曾預測這種過渡型激變變星的存在,但從未被觀測到。LAMOST成功捕獲的這顆罕見類型的激變變星證實了它的存在,同時為進一步認識激變變星的形成和演化歷史提供了實質性的證據。該項研究成果已發表在國際學術期刊《皇家天文學會月刊》上。 

  何謂激變變星 

  激變變星是一類具有雙重身份的天體,它既是雙星又是變星。激變變星對于研究諸多恒星物理的前沿問題都具有得天獨厚的優勢。典型的激變變星屬于密近雙星中的半接雙星類型,主星為白矮星,伴星通常是一顆晚型主序星,特殊情況下也可能是一顆演化中的巨星甚至是一顆白矮星。激變變星作為雙星系統,具有非常短的軌道周期,大部分周期時長都不超過10個小時。激變變星還擁有著變星的特質,它的亮度會隨時間發生顯著的明暗變化。 

  在大多數激變變星中,白矮主星與主序伴星之間存在持續地物質轉移,具體來說就是貪吃的主星不斷從更大質量的伴星身上(輸質星)吸積吞并物質,并在主星周圍形成吸積盤。

   

  1:激變變星的藝術想象圖(圖片來源:Mark A. Garlick 

  天文學家是如何搜尋這類天體的呢?激變變星,作為雙星系統,在光譜上表現出顯著的發射特征,作為變星,在光度上有明顯的星等變化,這些獨特的性質為搜尋這種特殊天體提供了有跡可循的觀測依據。 

  迄今為止,研究人員通過光變、光譜特征和顏色選擇來搜尋激變變星,激變變星樣本的發現來自各種不同的渠道,最直接有效的方法是利用激變變星尤其是矮新星的爆發特征,在時域測光巡天中搜尋(如CRTS,OGLE,ASAS-SN,MASTER,ATLAS等巡天)。其中CRTSOGLE時域巡天中發現的激變變星均有上千顆。自2002年開始,Szkody等人利用美國斯隆數字巡天項目(SDSS)數據在10年間共獲取了約285個激變變星,其中有超過一半的激變變星(151個)可以計算得到軌道周期。  

  近年來,LAMOST大規模光譜巡天項目為利用光譜特征來搜尋激變變星提供了優越的資源。研究人員基于LAMOST千萬量級的光譜數據庫對激變變星進行了全面搜尋,先后共發現245顆激變變星,極大豐富了已有的激變變星樣本。 

  

2 LAMOST中的激變變星光譜 (圖源:Hou, et al., AJ, 2020, 159, 43 

  林茂則物繁,隨著越來越多的激變變星樣本被發現,其中一些極其稀有甚至只出現在理論預測中的激變變星成員也陸續被挖掘出來。這些劍走偏鋒的激變變星也在不斷刷新著天文學家對于此類天體的認知。 

  挑戰傳統的特殊星 

  在激變變星的雙星系統中,伴星充滿了整個“洛希瓣”(包圍在伴星周圍的臨界面),而白矮主星則通過“洛希瓣”不斷地吸積伴星的物質。這種持續的物質交換在激變變星的演化過程中起著至關重要的作用。研究表明,對于大多數軌道周期小于6小時的激變變星而言,其中伴星的質量、半徑、溫度、光度和質量損失率等屬性都與雙星系統的軌道周期之間存在著一定的經驗關系。這種經驗關系就像研究短周期激變變星的指揮棒,我們可以通過光變曲線或者時序分光觀測獲取雙星的軌道周期,有了軌道周期,研究人員就可以通過這種經驗關系推算出激變變星的其他屬性。事實證明,伴星所擁有的這種經驗性規律對于驗證和校準雙星質量轉移模型非常有用。 

  但這看似相當有用的伴星屬性與軌道周期之間的規律被LAMOST新發現的這顆特殊激變變星打破了。近日,由哈佛大學Kareem El-Badry博士領導的國際研究團隊利用LAMOST數據發現的這顆不同尋常的激變變星,軌道周期為3.81小時,屬于短周期的激變變星范疇,但是其溫度、質量與對應雙星軌道周期的關系卻完全不符合傳統伴星的經驗規律。這使得天文學家不得不重新審視這顆特殊星的身份。 

  LAMOST在不同夜晚對該天體進行了多次觀測,研究人員發現該天體不同時間的視向速度之間存在每秒數百公里的差異。為了完全確定其軌道和相關屬性,研究團隊又借助美國利克天文臺的Shane望遠鏡進行了后續觀測,同時也利用了歐空局的蓋亞衛星(Gaia)天體測量數據以及其他一些測光巡天的數據進行了分析,研究人員最終發現該新天體是一種罕見的、正處于演化過渡階段的激變變星,其中的伴星并不是主序星,而是一顆正在膨脹的恒星氦核。并且基于雙星演化模型推測,這顆激變變星的伴星開始向白矮主星進行質量轉移時,就已經結束了主序階段并經歷了很明顯的演化過程。另外,通過演化模型計算,該團隊預測此雙星的質量轉移將很快結束,此后該伴星將演化成為一顆極低質量的白矮星??梢哉f,這顆激變變星的伴星正處于一顆恒星氦核和極低質量白矮星之間的過渡狀態(圖3)。而這顆特殊天體的最終命運可能演化成為一顆具有極短軌道周期(5~30分鐘)的雙致密天體(AM CV系統——激變變星的一種子型)。在這之前,理論上曾預測存在此類過渡型的激變變星,但是從未被觀測到,LAMOST憑借自身在搜尋稀有天體方面的優勢首次觀測到了它的存在。 

 3:新發現的天體LAMOST J0140與先前研究的雙星在亮度和溫度上的比較。(圖片來源:EL-Badry et al., MNRAS, 2021

這顆新發現的特殊激變變星引起了研究團隊對此類天體的興趣,在該成果的基礎上,El-Badry博士的團隊又開展了對此類天體的系統搜尋,在他們的后續工作中又相繼發現了處于類似演化階段的另外20個天體。這些新的天體樣本將為致密雙星演化模型的研究提供非常重要的數據支持。

 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1093/mnras/stab1318。

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