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(huì)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。

(資料圖)

近日，廈門大學(xué)天文學(xué)系教授顧為民的研究團(tuán)隊(duì)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(gè)天體組成一個(gè)雙星系統(tǒng)，每6.6小時(shí)相互繞轉(zhuǎn)一周，猶如一對翩翩起舞的伙伴。這項(xiàng)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(dāng)?shù)谝活w中子星同時(shí)也是第一顆脈沖星被探測到時(shí)，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(xué)者發(fā)現(xiàn)，一些中子星表面存在強(qiáng)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(xué)天文學(xué)系伊團(tuán)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(huì)發(fā)射射電脈沖，也沒有吸積物質(zhì)產(chǎn)生高能輻射。因?yàn)椴豢梢姡F(xiàn)有的技術(shù)手段無法探測到它。

“但它的‘舞伴’會(huì)‘出賣’它。”顧為民說。

他解釋說，一個(gè)明亮的恒星和一個(gè)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(yùn)動(dòng)，如同一對“舞伴”。根據(jù)光譜的多普勒移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)狀態(tài)、溫度、質(zhì)量和化學(xué)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(dá)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(yuǎn)鏡（又稱“郭守敬望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，是我國自主研發(fā)的主動(dòng)反射式施密特望遠(yuǎn)鏡，具有領(lǐng)先世界的恒星光譜獲取率和大規(guī)模時(shí)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(xué)巡天項(xiàng)目發(fā)布恒星光譜數(shù)據(jù)總和的兩倍。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡 資料圖片

“如同一條盛產(chǎn)黃金的河流，這個(gè)數(shù)據(jù)庫是所有天文學(xué)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(tái)研究員劉繼峰發(fā)起“LAMOST黑洞獵手計(jì)劃”，團(tuán)隊(duì)由中科院國家天文臺(tái)、廈門大學(xué)、南京大學(xué)、中科院上海天文臺(tái)、武漢大學(xué)等跨院校研究組的數(shù)十名成員組成。他們的目標(biāo)，是基于LAMOST望遠(yuǎn)鏡的時(shí)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(jì)劃”啟動(dòng)的前一年，他從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵉赜^測天體，率先提出了一個(gè)新方法——

利用相鄰兩次曝光的視向速度變化率，結(jié)合時(shí)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(gè)位置的運(yùn)動(dòng)速度，但也值得推測是否能被研究。”顧為民說，這個(gè)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(tái)開展觀測工作。 受訪者供圖

在近半年的時(shí)間里，顧為民團(tuán)隊(duì)在電腦屏幕前日日守到深夜，在3000多個(gè)可能包含致密天體的單線譜雙星中尋找目標(biāo)，猶如沙里淘金。最終，他們不僅將研究目標(biāo)縮至10余個(gè)，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(gè)“候選金子”每個(gè)僅有2至5次連續(xù)曝光的光譜，仍難以給出一個(gè)科學(xué)可信的結(jié)論。

進(jìn)一步研究，團(tuán)隊(duì)終于注意到了一個(gè)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(yuǎn)鏡探測到的不可見天體組成，這個(gè)不可見天體極可能是一個(gè)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(biāo)”，顧為民團(tuán)隊(duì)獲得了美國帕洛瑪天文臺(tái)海爾5米望遠(yuǎn)鏡兩個(gè)晚上的觀測時(shí)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(dá)帕洛瑪天文臺(tái)，準(zhǔn)備對數(shù)個(gè)雙星系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)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(gè)晚上鵝毛大雪仍下不停，空氣濕度過大，觀測機(jī)會(huì)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(jì)劃。“與400米長跑相比，50米的時(shí)間更短。只剩一個(gè)晚上，我們決定孤注一擲，將觀測的重點(diǎn)放在一個(gè)軌道周期短的目標(biāo)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(tuán)隊(duì)又對雙星系統(tǒng)的紫外光學(xué)能譜進(jìn)行仔細(xì)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(xué)界首例利用時(shí)域光學(xué)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(shí)域光學(xué)觀測，顧為民團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)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(gè)。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(shí)域光學(xué)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）