2024年2月,清華大學物理系王曉鋒教授課題組聯合國內外合作者,利用清華大學-馬化騰巡天望遠鏡(TMTS) ,在距離地球約2760光年處發現致密雙星系統TMTS J0526。系統中一顆熱亞矮星半徑僅為地球7倍(體積比土星還小),質量卻達太陽0.33倍,相當于土星質量的1150多倍,刷新“人類已知體積最小恒星”紀錄。
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要理解這顆恒星的特殊,得先搞懂兩個關鍵數據——“個頭小到離譜” 和“密度高到嚇人” ,咱們用太陽系天體做對比就能弄明白了。
先看“個頭”。土星作為太陽系第二大行星,赤道半徑約6萬公里,而這顆熱亞矮星半徑僅為地球7倍(地球半徑約6400公里,7倍就是4.48萬公里),而土星的半徑是地球的9.5倍,可以說這顆恒星比土星小了一大圈。要是把它放進太陽系,它的體積只能排第四,小于太陽,木星和土星。
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這顆熱亞矮星體積雖小,質量卻不小,是太陽的0.33倍,換算成地球質量約11萬倍,而土星質量為地球的95倍——這么算下來,它的質量竟是土星的1150倍!打個比方:如果把土星比作一輛1.5噸的家用車,這顆熱亞矮星就相當于一列1725噸的火車,體積沒大多少,重量卻翻了千余倍。
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更顛覆認知的是它的“身份”。過去天文學家公認的最小恒星是2MASS J0523,體積相當于木星大小,而這顆新發現的熱亞矮星,體積只有前者的一半左右,卻依然能維持穩定的氦核聚變——要知道,恒星的核心必須有足夠壓力才能“點燃”核聚變,這顆“迷你星”剛好踩在“恒星資格線”上,再小一點就會變成無法發光的“褐矮星”。
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這顆恒星的“迷你身材”不是天生的,而是被“暴力改造”的結果,背后藏著一段雙星系統的“相愛相殺史”。
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故事要從21年前說起。2003年,中國科學院云南天文臺韓占文院士團隊提出一個理論:某些雙星系統會經歷“兩次共有包層拋射”——簡單說,就是兩顆恒星在引力作用下“抱在一起”,外層氣體形成共同的“外殼”,隨后外殼被劇烈拋射,留下兩顆致密的星體。理論預言,這樣的過程會形成質量低至太陽0.32-0.36倍、軌道周期短至20分鐘的熱亞矮星雙星,但一直沒人找到實證。
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直到TMTS望遠鏡“盯”到了TMTS J0526,這個預言才被證實。這個雙星系統里,除了這顆迷你熱亞矮星,還有一顆質量為太陽0.74倍的白矮星——白矮星是恒星死亡后的殘骸,密度極高,一勺白矮星物質重量堪比兩頭成年大象。
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它們的“改造史”是這樣的:最初,兩顆恒星還是“正常體型”,其中一顆先演化成白矮星。白矮星引力極強,逐漸剝離伴星的外層氫殼,形成第一次“共有包層拋射”;剩下的伴星核心暴露出來,又經歷了第二次“包層拋射”,外層物質幾乎被剝光,最終變成只有地球7倍大的熱亞矮星。
如今,兩顆星體以20.5分鐘的周期高速繞轉——也就是說,它們每20.5分鐘就互相“轉圈圈”一圈,換算成速度,相當于每小時1.2萬公里,比地球公轉速度快20多倍!
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更神奇的是,它們還在持續“瘦身”。由于高速旋轉,這個雙星系統會向外輻射引力波(愛因斯坦1915年預言的“時空漣漪”),導致軌道能量不斷損失,兩顆星的距離會越來越近,軌道周期每年會縮短0.1秒——雖然看起來不多,但天文學家能通過觀測這個變化,進一步驗證引力波理論,相當于給宇宙裝上了一臺“引力波計時器”。
別小看這顆“迷你恒星”,它的發現不僅是“破紀錄”,更給天文學研究打開了兩個新窗口。
第一個價值是“驗證理論”。過去國際天文學界對熱亞矮星的形成有多種猜測,韓占文院士團隊的“兩次包層拋射”理論一直缺乏觀測證據。而TMTS J0526的各項參數——0.33倍太陽質量的熱亞矮星、0.74倍太陽質量的白矮星、20.5分鐘的軌道周期——完美匹配理論預言,相當于給這個中國提出的理論“蓋了章”,也讓人類對恒星演化的理解更深入一步。要知道,恒星演化理論是研究宇宙起源的基礎,搞懂這些“小個子恒星”的形成,就能更準確地推測宇宙中恒星的“生老病死”。
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第二個價值是“引力波探測”。未來,人類計劃發射空間引力波天文臺(比如歐洲的LISA、我國的“天琴”“太極”),而TMTS J0526正是理想的“校準源”。它在毫赫茲頻段輻射的引力波信號極強,天文臺一旦升空,就能清晰捕捉到它的信號,相當于給探測設備“調準焦距”,幫助科學家更精準地尋找黑洞合并、中子星碰撞等更劇烈的宇宙事件。
更值得驕傲的是,這次發現的“功臣”——清華大學-馬化騰巡天望遠鏡,是我國自主設計的多鏡筒光學巡天設備。它自2020年運行以來,以1分鐘一次的頻率“凝視”北半球星空,累計收集了2700萬顆恒星的數據,TMTS J0526就是從這些數據里“挖”出來的“寶藏天體”。這說明我國的天文觀測設備已經具備捕捉“宇宙極端現象”的能力,不再依賴國外望遠鏡。
這顆“體積最小恒星”的發現,就像給天文學家打開了一扇小窗:原來恒星可以小到這種程度,宇宙中可能還藏著更多“迷你星”。
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天文學家推測,這類通過“兩次包層拋射”形成的熱亞矮星,在宇宙中可能并不少見,只是因為它們體積小、亮度低(亮度只有太陽的幾萬分之一),很難被觀測到。未來,隨著TMTS望遠鏡繼續“巡天”,以及我國“天琴”“太極”等引力波項目的推進,或許會有更多“宇宙小鋼炮”被發現,甚至可能找到比這顆更小的恒星。
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消息來源:中國科學院國家天文臺官網2024年3月15日文章《最短軌道周期熱亞矮星雙星:驗證21年前的理論預言》網址
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNzA4MTIwNA==&mid=2247500402》
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