26 1 月, 2022

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神秘的宇宙“蜘蛛”被发现是强大伽马射线的来源

艺术家对白矮星(前景)和脉冲星双星系统(背景)演化的印象。 使用位于智利 Cerro Passion 的 4.1 米 SOAR 望远镜,Cerro Tololo Pan-American Observatory 的一部分,NSF NOIRLab 的一个项目,天文学家发现了双星系统的第一个例子,该双星系统由围绕毫秒脉冲星运行的演化的白矮星组成,在其中毫秒脉冲星处于自转过程的最后阶段。 费米太空望远镜发现的源头是这种双星系统演化过程中的“缺失环节”。 图片来源:NOIRLab/NSF/AURA/J. Acknowledgements da Silva/Spaceengine:M. Zamani(NSF 的 NOIRLab)

双星系统由 NOIRLab 操作的 SOAR 望远镜研究,这是在其发展的倒数第二阶段发现的第一个系统。

使用智利的 4.1 米 SOAR 望远镜,天文学家发现了第一个双星系统的例子,其中一颗恒星正在转变为 白矮星 围绕着 中子星 那刚刚变成了一个快速旋转器 脉冲星. 这对最初是由费米伽马射线太空望远镜发现的,是此类双星系统演化过程中的“缺失环节”。

一个明亮而神秘的伽马射线源被发现是一颗快速旋转的中子星 – 被称为毫秒星 – 围绕一颗正在演化成极低质量白矮星的恒星运行。 天文学家将这些类型的双星系统称为“蜘蛛”,因为脉冲星在转变为白矮星时往往会“吃掉”伴星的外部。

这对二人组是天文学家使用位于智利塞罗帕洪的 4.1 米 SOAR 望远镜发现的,该望远镜是美国国家科学基金会 NOIRLab 项目 Cerro Tololo 美洲天文台 (CTIO) 的一部分。

美国国家航空航天局自 2008 年发射以来,费米伽马射线太空望远镜已经对宇宙中产生大量伽马射线的物体进行了编目,但并非它探测到的所有伽马射线源都已被分类。 其中一个被天文学家称为 4FGL J1120.0-2204 的源是整个天空中尚未确定的第二亮伽马射线源。

来自美国和加拿大的天文学家在华盛顿特区美国海军研究实验室的塞缪尔·斯威哈特(Samuel Swehart)的带领下,利用 SOAR 望远镜上的古德曼光谱仪确定了 4FGL J1120.0-2204 的真实身份。 正如美国宇航局的 Swift 太空望远镜和欧洲航天局的 XMM-Newton 所观察到的,伽马射线源也发射 X 射线,已被证明是一个由每秒旋转数百次的“毫秒脉冲星”组成的双星系统,以及质量非常低的白矮星的介绍。 这对搭档距离我们超过 2,600 光年。

“在 SOAR 望远镜上分配给 MSU 的时间、它在南半球的位置以及古德曼光谱仪的准确性和稳定性都是这一发现的重要方面,”斯威哈特说。

“这是一个很好的例子,说明一般的中型望远镜,特别是 SOAR,可以用来帮助描述使用其他陆地和太空设施取得的非凡发现,”NOIRLab 主任克里斯戴维斯指出美国国家科学基金会的计划。 “我们预计 SOAR 将在未来十年追求许多其他时变、多消息源方面发挥关键作用。”

古德曼光谱仪测量的双星系统光谱显示,来自主白矮星伴星的光是多普勒——交替变换为红色和蓝色——表明它每 15 小时围绕一颗巨大的致密中子星运行。

“光谱还使我们能够限制伴星的近似温度和表面重力,”斯威哈特说,他的团队能够利用这些特性并将它们应用于描述双星系统如何演化的模型。 这使他们能够确定这颗伴星是质量极低的白矮星的前身,表面温度为 8,200 摄氏度(15,000 华氏度),质量仅为太阳质量的 17%。

当质量与太阳相当或更少的恒星达到其生命的尽头时,其核心中用于为核聚变过程提供燃料的氢将耗尽。 一时间,氦气带头强化恒星,使其收缩和升温,推动其膨胀演化成数亿公里大小的红巨星。 最终,这颗正在膨胀的恒星的外层可能会在双星伴星上聚集,核聚变将停止,留下一颗大约与地球大小相当的白矮星,并在超过 100,000 摄氏度(180,000 华氏度)的温度下吐出。

4FGL 系统 J1120.0-2204 中的主要白矮星尚未完成演化。 “它目前正在膨胀,其半径大约是类似质量的普通白矮星的五倍,”斯威哈特说。 “它将继续冷却和缩小,在大约 20 亿年后,它看起来将与我们已经知道的许多质量非常低的白矮星相同。”

毫秒脉冲星每秒旋转数百次。 它是通过积累来自伴星的物质而旋转的,在这种情况下,来自一颗已经变成白矮星的恒星。 大多数毫秒脉冲星会发射伽马射线和 X 射线,通常是在恒星风(从旋转的中子星发出的带电粒子流)与伴星发射的物质碰撞时发出的。

已知大约有 80 颗质量非常低的白矮星,但“这是首次发现可能围绕中子星运行的质量非常低的白矮星,”斯威哈特说。 因此,4FGL J1120.0-2204 是该循环过程结束时的独特外观。 已发现的所有其他矮星和脉冲星双星都绕过了旋转阶段。

“使用 SOAR 望远镜继续光谱分析,目标是无关的费米伽马射线源,让我们看到伴星正在围绕某物运行,”斯威哈特说。 “如果没有这些观察,我们将无法找到这个令人兴奋的系统。”

参考:“4FGL J1120.0-2204:一种独特的伽马射线双星亮中子星,具有非常低的初级白矮星”,Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, 天体物理学杂志.
arXiv:2201.03589

该团队由 Samuel J. Swihart(国家研究委员会、国家科学院和美国海军研究实验室的研究助理,华盛顿特区)、Jay Strader(密集的天文数据中心和时域,物理和天文学系,密歇根州)组成州立大学)、Elias Aydi(加拿大麦吉尔大学物理系)、Laura Chomiuk(加拿大麦吉尔大学麦吉尔空间研究所)、Kristen C. Dage(加拿大麦吉尔大学麦吉尔空间研究所和物理系)、Adam Kawash(密歇根州立大学物理和天文学系密集数据和现场天文学年表中心)、Kirill F. Sokolovsky(密歇根州立大学物理和天文学系密集数据和时域天文学中心)和 Elizabeth C. 费拉拉(马里兰大学天文学系和美国宇航局戈达德太空飞行中心探索与空间研究中心(CRESST))。

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