“夜空中的迷你精靈” ——白矮星

夜空中鑲嵌著形形色色的恒星，它們的質(zhì)量、大小、光度、年齡都不盡相同，堪稱幾代同堂。年年歲歲花相似，歲歲年年“星”不同，天上的恒星也在隨時間而演化，只不過這種演變的時間尺度非常長。恒星在演化晚期的死亡階段，因能源耗盡而引力坍縮為個頭非常小的高密度天體，即致密星，主要有白矮星、中子星、和黑洞三類。

恒星死亡時以何種致密星的形式而存在，主要取決于其質(zhì)量。白矮星是質(zhì)量小于8~10.8M⊙的主序星死亡后的產(chǎn)物，而大多數(shù)恒星的質(zhì)量在約0.1到10 M⊙之間，這意味著97%的恒星會演化為白矮星。因此，白矮星也是銀河系中較為普遍的天體之一。

與正常恒星相比，白矮星是電子簡并矮星，其典型特點是密度高（~106 g/cm3）、半徑小（~10-2R⊙）、光度低、表面溫度高。如果用白矮星這種高密度的材料做一塊方糖，重量就相當于一輛小汽車！類似太陽這樣的恒星，演化成白矮星后的質(zhì)量大約為0.6 M⊙，而體積卻僅有地球那么大。

白矮星內(nèi)部的電子簡并壓力與引力抗衡，從而維持白矮星穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，白矮星的質(zhì)量和半徑之間存在關(guān)系R∝M-1/3，即白矮星的質(zhì)量越大，體積反而越小。

因此，白矮星的質(zhì)量存在一個上限。1935年，錢德拉塞卡計算得出了白矮星的極限質(zhì)量為1.44 M⊙，稱為“錢德拉塞卡極限”。錢德拉塞卡也因此獲得了1983年的諾貝爾物理學(xué)獎。由于白矮星的上述種種獨特性和神秘性，它一直都是天文學(xué)家非常感興趣的天體。

圖1. 白矮星與其它天體的大小對比圖 （圖源：https://www.skymarvels.com/infopages/scalemain.htm）

“與精靈共舞” ——白矮星雙星

天空中多數(shù)恒星都不是孤孤單單存在的，而是位于雙星系統(tǒng)亦或多星系統(tǒng)中，白矮星也不例外。歷史上第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星就是位于三星系統(tǒng)中。第二顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星（天狼星B）是位于雙星系統(tǒng)中，它的主星是夜空中最亮的恒星——鼎鼎有名的天狼星A。

一直到1917年發(fā)現(xiàn)的第三顆白矮星（范馬南星）才是一顆真正孤獨的白矮星，即第一顆不是從多星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的白矮星。由于雙星演化可以幻化出許多有趣的天體和現(xiàn)象，而白矮星本身又極其獨特和神秘，因此含有至少一顆白矮星的雙星即白矮星雙星，也自然成了非常吸引天文學(xué)家的特殊天體。

“緣起緣滅” ——白矮星雙星的前世來生

白矮星雙星的前身是主序星雙星。大多數(shù)（約四分之三）的主序星雙星屬于寬距雙星系統(tǒng)，兩子星各自像單星一樣獨立演化，不發(fā)生交互作用。其余約四分之一的主序星雙星則是密近系統(tǒng)，其演化會受到雙星交互的影響。

當兩子星中質(zhì)量較大的那顆演化到巨星或漸近巨星支階段時，會經(jīng)歷動力學(xué)不穩(wěn)定的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，從而進入公共包層階段。當公共包層拋射出去后，可能形成一個密近的后共包層雙星，即包含一顆致密天體（通常為白矮星）和一顆主序星的白矮星雙星系統(tǒng)。

通過由磁制動和/或引力波輻射驅(qū)動的角動量丟失機制，這種密近的白矮星+主序星組成的后共包層雙星會進一步演化，依賴于恒星質(zhì)量和軌道間距，可能會經(jīng)歷第二個公共包層階段，從而形成雙白矮星或白矮星+氦星組成的雙星系統(tǒng)；亦或進入一個半相接階段，形成激變變星或超軟X射線源等。

這些天體還有可能進一步通過單簡并渠道（白矮星從伴星吸積）或雙簡并渠道（雙白矮星并合）爆發(fā)為Ia型超新星（簡寫為SN Ia）從而為其“星命”的結(jié)束劃上絢麗的句號。

圖2. 密近白矮星雙星的形成和演化簡圖（圖源：Toloza et al. 2019）

而SN Ia是宇宙學(xué)尺度上非常重要的距離探針，通過SN Ia測距發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹從而揭示出暗物質(zhì)和暗能量存在的研究成果，還獲得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎。

另外，SN Ia在星系化學(xué)演化方面也發(fā)揮著很重要的作用。盡管它在天文學(xué)中地位顯赫，但是目前關(guān)于SN Ia的形成卻尚不清楚，對其前身星的認識仍很缺乏，這直接影響了SN Ia的測距精度并阻礙精確宇宙學(xué)的發(fā)展。

而作為SN Ia眾多前身星之一的白矮星+AFGK型主序星雙星（簡寫為WD+AFGK）因其數(shù)目較多、無正在進行的吸積過程、只經(jīng)歷過一次公共包層演化、可同時用于研究SN Ia的多種形成模型等諸多優(yōu)點而受到觀測天文學(xué)家的青睞，被優(yōu)選來研究SN Ia的形成。

此外，WD+AFGK雙星還可以用于研究雙星演化中非常重要卻仍知之甚少的公共包層演化階段。因此，從觀測上獲得一個大樣本的WD+AFGK雙星勢在必行。

“謀后而定，行且堅毅” ——雄心勃勃的白矮星雙星巡天項目

搜尋WD+AFGK雙星并不容易，在光學(xué)波段白矮星與其AFGK主序星亮度差異巨大，白矮星的亮度通常僅為其主序星伴星的約百分之一，完全被其掩蓋。且此前已有的巡天項目（如SDSS）缺乏大樣本的有紫外數(shù)據(jù)的亮AFGK星，這些都導(dǎo)致WD+AFGK的搜尋工作異常困難。歷史上已發(fā)現(xiàn)的WD+AFGK雙星僅有約100顆，且多數(shù)還是寬距系統(tǒng)。

近年來，我國天文學(xué)家和國際天文學(xué)家聯(lián)合啟動了一個極具挑戰(zhàn)的白矮星雙星巡天觀測研究項目（White Dwarf Binary Pathways Survey），旨在從觀測上獲得一個大樣本的WD+AFGK雙星，并進一步找出其中的密近系統(tǒng)，測量其恒星參數(shù)和軌道周期，從而預(yù)測其未來的演化（用于研究SN Ia的形成）并重構(gòu)其過去的演化（限制公共包層演化）。

圖3. LAMOST/RAVE/Gaia巡天望遠鏡簡圖（圖源：LAMOST/RAVE/Gaia官網(wǎng)）

該國際研究團隊克服重重困難，采用有效溫度-紫外顏色選擇法目前已從LAMOST/RAVE/Gaia巡天數(shù)據(jù)中累計獲得了近3000顆WD+AFGK雙星，使其數(shù)目翻了近30倍。其中，幾乎一半是從我國LAMOST巡天數(shù)據(jù)中搜尋出的。

搜尋出大樣本的WD+AFGK雙星還只是萬里征途的第一步，更為重要的是找出其中的密近系統(tǒng)并測量出恒星參數(shù)和軌道周期，為了保證最終科學(xué)目標的實現(xiàn)及該巡天項目的順利實施，研究團隊計劃了周密的方案逐步施行：

搜尋出大樣本的WD+AFGK雙星：如前所述，這一步已成功實現(xiàn)；

進一步搜尋出密近WD+AFGK雙星：對獲得的大樣本W(wǎng)D+AFGK中較亮的目標源（通常選擇亮于13星等的）開展高分辨率光譜觀測（分辨率高于20000，以盡可能探測出軌道周期較長或軌道傾角較小的密近系統(tǒng)），獲得分布在不同觀測夜的至少兩條光譜，測量視向速度變化，有較大視向速度變化的即為密近系統(tǒng)候選體，目前研究團隊已識別出近100顆密近系統(tǒng)，初步實現(xiàn)目標；

測量密近WD+AFGK雙星的軌道周期和恒星參數(shù)：對上一步中探測出的密近系統(tǒng)進一步開展密集的后隨高分辨光譜觀測獲得視向速度變化曲線并測量出軌道周期和恒星參數(shù)等，目前正如火如荼地開展中，已完成部分目標的軌道周期等參數(shù)測量；

實現(xiàn)終極科學(xué)目標：基于測量出的軌道周期等參數(shù)，預(yù)測這些密近WD+AFGK雙星未來的演化，來檢驗SN Ia的多種形成模型；并重構(gòu)它們過去的演化，來研究雙星演化中非常重要的公共包層演化階段，檢驗公共包層拋射效率對伴星質(zhì)量的依賴情況。

這些都意味著該巡天項目必將需要一系列繁重的后隨觀測，近年來該研究團隊已集結(jié)了國內(nèi)外數(shù)十臺望遠鏡開展后隨觀測任務(wù)。其中包括江湖上聲名遠播的哈勃空間望遠鏡（用于獲得紫外波段光譜）。我國的2.16米光學(xué)望遠鏡（用于獲得高分辨率光學(xué)光譜）和興隆基地小望遠鏡（用于獲得光變曲線）也都在該項目中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

數(shù)年的時光流逝，其中蘊含了無數(shù)個不眠的觀測之夜及繁瑣的數(shù)據(jù)處理分析，值得欣慰的是在團隊成員的共同努力下，該項目目前進展順利，系列成果的前五篇已發(fā)表在國際知名天文學(xué)期刊上，并獲得國際同行高度評價，稱贊這是一個重大且重要的研究項目。前路依然漫漫，讓我們一起期待后續(xù)的研究成果陸續(xù)出爐。修天文如修心，忘卻世間營營，夜空中的星辰讓我們內(nèi)心安寧。

作者簡介：任娟娟，中國科學(xué)院國家天文臺星云計劃副研究員，主要從事白矮星雙星、銀河星云、空間光學(xué)天文數(shù)據(jù)處理方法等方面的研究工作。

文稿編輯：蔡　琳