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作者:池涵 来源:中国科学报 发布时间:2019/12/9 16:38:35
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“三体”是灾难?快来了解宇宙中的“两体”
 
四年前,我国著名科普作家刘慈欣凭借其科幻小说《三体》获得“雨果”奖,在国内掀起了一场不小的科普热。小说中的“三体”是三颗相互环绕的“太阳”,由于运动的无规则性及相互之间复杂的引力扰动,致使生活在那里的“三体文明”经受了百余次毁灭与重生,最终逼迫他们打算逃离这种无常的“三体”母星。
 
研究表明,宇宙中超过一半的恒星都是以双星或多体系统存在。我们要讲述的“两体”就是宇宙中普遍存在的双星系统,相对“三体”,它们要简单很多。如果双星之间距离超过了100 AU (天文学将一倍日地间距定义为1个天文单位,即1 AU),我们通常称这类双星为宽距双星,反之,称为密近双星。
 
如果“三体”像科幻小说中讲述那样会给文明带来灾难,让人难以琢磨,那么你有没有思考过看似简单的“两体”?它们能为人类揭示什么重要的宇宙秘密?
 
“两体”也不简单
 
由三峡大学天文与空间科学研究中心、加州大学伯克利分校、马克斯普朗克天文研究所等多个单位组成的研究团队利用欧空局盖亚卫星的巡天数据对太阳邻域的宽距双星开展了系统研究。近日,该团队完成了两项新的研究成果。其中一项发现,宽距双星的间距分布并非像传统假设那样服从一个单一的幂律谱,而是在大约0.1 pc(秒差距,1 pc 大约为3.26光年)的间距处,不同星族的双星其间距分布发生了不同程度的断裂,该断裂特征蕴藏着重要的物理机制,这项成果被国际权威天文期刊《天体物理期刊增刊》正式接受,即将正式出版;另一项研究发现,宽距双星样本中“双胞胎”星的比例异常地高,甚至在超过1万AU的间距上,该异常依然存在,该成果已正式发表在英国《皇家天文学会月报》上。
 
论文的主要作者之一、三峡大学田海俊博士告诉《中国科学报》,宽距双星是最简单、最小、最脆弱的天体系统之一。由于成员星离的较远,宽距双星的轨道十分脆弱,极易受到外界引力或内部成员星演化所扰动甚至破坏,它们被认为是小尺度上银河系引力势能的强大探针。因此,开展对宽距双星间距、质量比等物理属性的统计分析,可以有效探测银河系中晕族大质量致密天体(MACHO),并限制MACHO的质量、密度等属性,同时可以追寻双星乃至银河系的形成与演化历史。
 
中国科学院紫金山天文台袁强研究员告诉《中国科学报》:“在天文学中,MACHO被认为是一种重要的暗物质候选体”。
 
“关于双星如何形成的问题,目前天文界尚不十分清楚,国际上主要有两种可能的形成机制。”中国科学院国家天文台研究员刘超说。
 
 
密近双星(上图)和宽距双星(下图)可能的形成机制。(上图来源于美国国家射电天文台NRAO,下图来源于阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列ALMA网站)
 
“密近双星可能形成于碎裂的公共星周盘,在一个分子云中,通过自身引力对周围的气体和尘埃的吸积,一颗原恒星逐渐诞生,并在周围形成吸积盘,随后在吸积盘内部,又逐步形成第二颗原恒星,随着时间的演化,最终形成两颗相互围绕的轨道双星,如图1(上)左、中、右子图所示”,中国科学院云南天文台陈雪飞研究员解释道。
 
“宽距双星不像密近双星那样形成于碎裂的公共星周盘,而是可能形成于分子云核的湍流碎裂(主要对间距小于1000 AU的双星来讲)或分解星团成员星的随机配对(主要对间距大于1000 AU的双星来讲)。同时,与密近双星不同,形成两颗宽距子星的分子云核具有不同的旋转轴向,致使二者难以形成公共的星周吸积盘,如下图1(下)所示,随着他们与周围物质的摩擦耗散或其他相互作用,使得两颗子星离的越来越远,最终成为宽距双星。”田海俊补充道。
 
“目前这两种模型或多或少都存在无法解释一些观测现象的问题。”刘超向记者强调。
 
田海俊说,根据双星在银河系中主要停留的位置,宽距双星通常可以划分为年老的银晕和年轻的银盘双星。年老的球状星团大都分布在银晕中,年轻的疏散星团分布在银盘上。与银盘相比,银晕中的物质分布相对简单,引力扰动源比较单一。另外,因为银晕宽距双星的运行速度快,穿行银盘的时间较短,他们受到银盘中复杂物质结构(比如分子云、其他恒星等)的扰动少,所以科学家主要使用银晕宽距双星来探测并回答MACHO是否存在,如果MACHO存在,他们具有什么样的属性特征等问题。
 
此次,田海俊等人发现,宽距双星的间距分布并非像传统假设那样服从一个单一的幂律谱,而是在大约0.1 pc的间距处,不同星族双星的间距分布呈现出不同程度的断裂。具体来讲,在双星间距小于0.1 pc时,不同星族的双星间距均服从一个幂指数为-1.5的幂律谱,但当间距大于0.1 pc时,年老的晕双星比年轻的盘双星更容易被破坏掉,观测数据中为什么出现这样的现象,规律背后蕴藏着什么奥秘,是科学家们需要重点回答的问题。
 
改变国际上双星间距分布观念
 
田海俊说,双星间距的幂律分布发生断裂,国际上一般猜测是由于外界物体(比如MACHO)的引力扰动所致。如果是这样,根据宽距双星间距分布上的断裂位置,可以有效限制具有什么属性(质量和密度等)的MACHO能够导致这样的断裂。
 
要破坏间距为0.1 pc的双星,根据太阳邻域的暗物质密度可以粗略估算出至少需要10 M⊙的MACHO分布在银晕中,也就是说银晕中可能存在大量的10倍以上太阳质量的致密天体(比如黑洞)。
 
袁强告诉记者,科学家曾猜测银河系中分布有大量的原初黑洞,这些原初黑洞可以提供解释银河系旋转曲线所需的额外引力,即暗物质。2015年激光干涉仪引力波天文台探测到质量约30 M⊙的双黑洞并合产生的引力波,这类大质量黑洞的形成机制尚不明确,有人认为它们可能是宇宙大爆炸极早期产生的原初黑洞,并且可以解释宇宙中广泛存在的暗物质。田海俊等人的发现可能为这一理论提供了间接支持。
 
“然而,大于10倍太阳质量的MACHO与其他一些观测结果存在冲突。不过,国际上对MACHO的其他观测结果大都存在一些质疑”,田海俊补充道。
 
“关于该问题,我们提出了另外一种全新的解释。”田海俊说,“宽距双星在诞生之初,双星所在星团的属性(比如速度弥散、星团大小等)存在差异,导致不同星族的宽距双星可能在形成之初的固有间距分布上已经出现有不同程度的断裂特征,经过长期演化,这些固有的属性依然存在。”
 
田海俊等人从宽距双星在诞生之初的星团出发构建了一个比较简单的模型,该模型可以清晰地解释为什么在1000~10000 AU的间距范围内,不同星族的双星间距都满足一个幂指数为-1.5的单一幂律谱。
 
“然而目前这个模型仅可以定性分析并粗略地回答为什么不同星族的双星在极宽间距上会发生单一幂律谱断裂的问题。”田海俊说。
 
刘超认为,以往研究很少对宽距双星有系统的大样本观测。田海俊等人发现的间距分布断裂是一个很有意思的现象,很有可能和暗物质有关,当然还需要分析其他的可能机制,只有排除了其他可能性,才能真正说他们发现了MACHO类型的暗物质。
 
什么导致了“双胞胎”星的异常?
 
 
在另一项工作中,研究团队又发现,宽距双星样本中“双胞胎”星(即成员星具有高度相似的质量和亮度, 如图2所示)的比例异常地高,该异常甚至在超过10000 AU的间距上依然存在。
 
“这种观测现象对传统宽距双星的形成及物质交换机制带来了严峻的挑战。”田海俊说。
 
在宽距双星的主流模型中,成员星之间可能未曾发生过物质交换。
 
“这样异常高的双胞胎星,很难从现有模型中给出这样的特征。” 刘超告诉《中国科学报》。
 
田海俊说,当时团队其他成员一致认为,在如此远的间距上,“同胞”双星的比例很高,应该是一种“愚蠢的”选择效应。
 
“我把‘同胞’双星的样本挑选出来,逐个查看了这些双星实拍的照片。”田海俊说,“发现大部分双星的角间距都比较大,相互之间没有什么交叉污染。”
 
影响双星选择效应的主要因素,田海俊分析道,首先是成员星之间的亮度差异,差异越大成员子星越难同时被观测;再者是成员星之间的角间距,间距越小成员子星越难清晰区分。样本中的“同胞”双星在这两个方面都没有什么特殊性,真实照片中“同胞”双星的每个子星大都清晰可见,因此,田海俊断定,我们挑选的样本不应该存在什么特殊的选择效应。
 
研究团队于是对“双胞胎”星的形成与演化机制进行了详尽的分析,他们认为宽距“双胞胎”星形成之初的间距应该小于100 AU,但在随后的演化环境中,相互环绕的成员星不断与星周物质发生动力学相互作用,如动力学摩擦、径向迁移等效应,导致双星系统的动能逐步损耗,于是成员星就会逐渐远去。
 
“这一观测的结果会推动双星演化理论进一步的发展”刘超说。
 
相关论文信息:https://doi.org/10.1093/mnras/stz2480
 
https://doi.org/10.12149/101010

 

 
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