“這個(gè)發(fā)現(xiàn)多難得，就像從大海里撈起兩顆珍珠?！闭劶白约鹤钚掳l(fā)表的論文成果，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授張?jiān)A如是說。
這兩顆珍珠，一顆是白矮星，一顆是超冷亞矮星。它們“相伴而行”，是極為罕見的雙星系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)不久前發(fā)表在英國《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。
與雙星系統(tǒng)的相遇，頗有戲劇性。直到現(xiàn)在，張?jiān)A提起當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)過程也覺得“不可思議”。
張?jiān)A等發(fā)表成果
錄屏是個(gè)好習(xí)慣
2023年3月，在為南京大學(xué)本科生開設(shè)的早期科研課程中，張?jiān)A為3名本科生講解如何使用巡天數(shù)據(jù)庫來發(fā)現(xiàn)寬距雙星系統(tǒng)。
其間，張?jiān)A想給學(xué)生做個(gè)示范，臨時(shí)決定用蓋亞巡天數(shù)據(jù)星表搜索白矮星+超冷矮星的寬距雙星系統(tǒng)。這類雙星的兩顆伴星同時(shí)誕生，其中，超冷矮星伴星可以作為年齡基準(zhǔn)。它們具有相同的銀河系軌道，因此可以通過共有自行（角速度）發(fā)現(xiàn)它們。
張?jiān)A使用了TOPCAT虛擬天文臺(tái)軟件對(duì)100秒差距（即326光年）以內(nèi)的天體進(jìn)行了雙星交叉匹配，找到了3000多對(duì)具有相同自行和距離的寬距雙星。
為了找出其中的白矮星+超冷矮星的雙星系統(tǒng)，張?jiān)A將這些雙星放入赫羅圖中做篩選。赫羅圖顯示的是天體光度-溫度參數(shù)空間，可以很好地區(qū)分白矮星與超冷矮星。在赫羅圖中，天體分布呈現(xiàn)上亮下暗、左熱右冷的特點(diǎn)，其中白矮星序列在高溫低光度的左下角，超冷矮星在低溫低光度的右下角。
使用TOPCAT可以將星表繪圖可視化，并可以和星表交互。在篩選超冷矮星時(shí)，張?jiān)A信手圈出赫羅圖中右下角的幾個(gè)符合條件的“紅點(diǎn)”。其中一個(gè)因?yàn)槲恢闷Р铧c(diǎn)被忽略，張?jiān)A在畫圈時(shí)，堪堪將它納入。
將這幾顆超冷矮星候選體與已知的褐矮星的星表進(jìn)行比對(duì)后，張?jiān)A發(fā)現(xiàn)，其中有顆超冷亞矮星是他之前研究過的。不會(huì)這么巧合吧？超冷亞矮星本身很稀有，而這顆的軌道還那么特別，它竟然還有顆伴星？
“是個(gè)雙星嗎？它是個(gè)雙星？”張?jiān)A一遍又一遍地問自己，聲音中帶著點(diǎn)興奮的顫抖。誰能想到隨便一搜，就遇到科研“爆款”！
張?jiān)A一邊給學(xué)生繼續(xù)講解，一邊尋找雙星的證據(jù)：
自行非常大，符合！
兩顆星的自行相同，沒錯(cuò)！
這時(shí)的張?jiān)A并沒有被數(shù)據(jù)沖昏頭腦，依然保持懷疑。他甚至還在和學(xué)生們調(diào)侃，說不定它們的間距非常近，是同一個(gè)源，那么就不可能是雙星。
“哦？18個(gè)角分，不是很小。”這兩顆星的間距讓張?jiān)A收起調(diào)侃的態(tài)度，嚴(yán)肅起來，“我們進(jìn)一步驗(yàn)證一下?！蓖ㄟ^檢查發(fā)現(xiàn)，這顆疑似的伴星也確實(shí)是落在赫羅圖的白矮星序列上。這樣就能排除兩個(gè)目標(biāo)源是同一顆星的可能性。
通過檢查對(duì)應(yīng)星圖，雙星系統(tǒng)的可能性不斷增加。他將2010年和2015年觀測圖像切換，兩顆星的共有自行軌跡非常明顯。這就確認(rèn)了它們是一個(gè)白矮星+超冷亞矮星寬距雙星系統(tǒng)。
以上的一切都被視頻記錄了下來。張?jiān)A為方便學(xué)生們課后復(fù)習(xí)，每次上課都會(huì)錄屏，沒想到卻錄下了如此具有紀(jì)念價(jià)值的時(shí)刻。
在視頻中，確定雙星系統(tǒng)的那一刻，張?jiān)A不由自主地發(fā)出一聲歡呼，對(duì)學(xué)生笑著說：“這個(gè)可以寫篇論文了?！?span style="display:none">2nC即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
真的是隨手就搜出了雙星系統(tǒng)嗎？
是，也不是。
與“老友”重逢
事情要從2018年說起。
那一年，張?jiān)A在巴黎文理大學(xué)/巴黎天文臺(tái)做博士后階段的研究，他以前在英國的同事Leigh Smith博士發(fā)現(xiàn)了一顆自行極高的超冷亞矮星——VVV 1256-62，希望張?jiān)A幫忙對(duì)其進(jìn)行光譜分類。雖然張?jiān)A建立了最新的L亞矮星光譜分類系統(tǒng)，但由于當(dāng)時(shí)觀測的光譜信噪比較低，流量矯正不對(duì)，因此很難給出準(zhǔn)確的光譜型。
隨后，張?jiān)A用歐洲南方天文臺(tái)在智利建造的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——甚大望遠(yuǎn)鏡，拍攝了VVV 1256-62的連續(xù)的光學(xué)—紅外光譜，確認(rèn)了它的光譜型是 L3 subdwarf (sdL3)， 限定了它的溫度和金屬豐度。
“太陽附近的大多數(shù)恒星和太陽具有相近元素豐度。但亞矮星的碳和鐵等重元素的含量要少得多。其中溫度最低的被稱為超冷亞矮星?！睆?jiān)A解釋說。
根據(jù)新測量的徑向速度和歐洲蓋亞天體測量衛(wèi)星觀測的距離和自行，張?jiān)A與同事計(jì)算出它的銀河系軌道。相關(guān)成果于2019年發(fā)表。
“當(dāng)時(shí)，Smith主要使用多次觀測的2微米波段的紅外圖像解算的自行星表，發(fā)現(xiàn)了VVV 1256-62。它是星表里3億多顆天體里自行最大的?！睆?jiān)A告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
因?yàn)檫@份緣起，所以張?jiān)A這次給本科生講解時(shí)“隨手”搜的就是VVV 125-62所在的區(qū)域，并且意外發(fā)現(xiàn)在VVV 1256-62旁邊，有一顆與它自行相同的白矮星。它們組成一個(gè)雙星系統(tǒng)VVV 1256-62 AB。這顆早先被發(fā)現(xiàn)的超冷亞矮星是這個(gè)雙星系統(tǒng)的次星，名字也被改為VVV 1256-62 B。新發(fā)現(xiàn)的白矮星則是主星，被命名為VVV 1256-62 A。
VVV 1256-62 AB“雙星系統(tǒng)”自行大，相對(duì)于其它星星在移動(dòng)速度快
“VVV 1256-62 A在2微米波段非常暗，所以上次幾乎沒有被探測到，錯(cuò)過了寬距雙星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)。而且，這顆白矮星主星處在銀盤附近，背景星很擁擠，因此光學(xué)波段的蓋亞空間天體測量衛(wèi)星2018年發(fā)布的第二版星表也沒有收錄它。直到蓋亞有了足夠長時(shí)間的觀測，在2022年發(fā)布的第三版星表才解算出它的自行和距離?！睆?jiān)A解釋說。
超冷亞矮星，即貧金屬（氫氦之外的元素）的超冷矮星，是誕生于宇宙早期的稀有天體。由于它們溫度低、光度低，很難被望遠(yuǎn)鏡探測到，也就很難被研究刻畫。目前已知的L亞矮星不足百顆，寬距雙星系統(tǒng)更是稀有。
2019年，張?jiān)A發(fā)現(xiàn)了首個(gè)L亞矮星雙星系統(tǒng)?！澳鞘俏ㄒ坏腖亞矮星金屬豐度基準(zhǔn)星，我們對(duì)這個(gè)冷亞矮星+超冷亞矮星系統(tǒng)進(jìn)行了后續(xù)觀察研究，今年用韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測了次星的紅外光譜，還用VLT觀測主星和次星的光學(xué)紅外光譜?！睆?jiān)A表示。
這一次是他發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)L亞矮星雙星系統(tǒng)。“也是覺得有些意外，畢竟雙星系統(tǒng)那么罕見，而且這次發(fā)現(xiàn)的白矮星+超冷亞矮星所在銀河系軌道還這么特殊?！?span style="display:none">2nC即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
藝術(shù)家對(duì) VVV1256-62AB 的構(gòu)想。背景圖像是蓋亞衛(wèi)星拍攝的銀河系的一部分（來源：ESAGaiaDPAC，CC BY-SA 3.0 IGO）。冷白矮星 VVV1256-62A（左）呈淺橙色。超冷亞矮星 VVV1256-62B（右）比其白矮星伴星更冷，但也更大。超冷亞矮星的表面結(jié)構(gòu)基于超冷矮星大氣的 3D 流體動(dòng)力學(xué)模擬（Bernd Freytag）
跳一曲銀河華爾茲
宇宙浩渺，星辰無限。
為探測這些天體，人類修建各種設(shè)備，觀測記錄數(shù)十億天體的信息及其變化。這些星體有些亮度高，有些速度快，會(huì)被很快捕捉并發(fā)現(xiàn)，而那些亮度低、速度慢的則需要長時(shí)間方能捕捉到變化。
這次張?jiān)A發(fā)現(xiàn)的VVV 1256-62 AB雙星系統(tǒng)就是在5年時(shí)間跨度中，因?yàn)樽兓壽E“明顯”最終被確認(rèn)。而被捕捉到的光，是從距離地球250光年外的地方發(fā)出，歷經(jīng)人類的250年，抵達(dá)地球，被望遠(yuǎn)鏡記錄。
“做天文的觀測發(fā)現(xiàn)，如同‘大海撈珍珠’，運(yùn)氣有時(shí)候會(huì)起作用，但是數(shù)據(jù)和觀測資源、合理規(guī)劃策略和有效的操作方法，都是必不可少的。如果是做天文學(xué)的理論研究，必要的知識(shí)技能，以及把握研究方向和尋找科學(xué)問題的能力更重要，運(yùn)氣基本起不到作用。”對(duì)于此次發(fā)現(xiàn)，張?jiān)A如此總結(jié)。
在2023年發(fā)現(xiàn)VVV 1256-62 AB雙星系統(tǒng)后，張?jiān)A找到不同方向的科學(xué)家，幫忙進(jìn)行白矮星年齡等信息的分析。
前述3名本科生中，有的幫忙計(jì)算了銀河系運(yùn)動(dòng)速度，有的用張?jiān)A介紹的方法繼續(xù)搜尋褐矮星雙星系統(tǒng)，并且已找到了約幾十對(duì)褐矮星雙星候選體。因?yàn)楦髯缘呢暙I(xiàn)，他們也成為這篇論文的共同作者。
找到了主星白矮星，也為科研人員研究其超冷亞矮星伴星提供了幫助?！俺鋪啺堑臏囟入S時(shí)間變化，我們又無法測量其年齡，所以難以研究刻畫。但是我們能較準(zhǔn)確地限定白矮星的年齡。因?yàn)殡p星是同時(shí)誕生的，所以有了白矮星的年齡，也就知道了超冷亞矮星的年齡。這樣的年齡基準(zhǔn)星，對(duì)我們研究貧金屬超冷大氣有非常重要的意義，比如校正和改進(jìn)超冷大氣模型。而超冷大氣模型可以用來研究刻畫氣態(tài)系外行星的大氣?！睆?jiān)A解釋說。不僅如此，這項(xiàng)研究結(jié)果還會(huì)對(duì)恒星的形成與演化等領(lǐng)域產(chǎn)生影響。
在張?jiān)A后期制作的雙星軌跡運(yùn)動(dòng)視頻中，白矮星和超冷亞矮星在約翰·施特勞斯“第二圓舞曲”的伴奏下，跳起“雙星”華爾茲，穿越了時(shí)空，展現(xiàn)在人類眼中。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1093/mnras/stz2196
https://doi.org/10.1093/mnras/stae1851
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