2024年2月，清華大學(xué)物理系王曉鋒教授課題組聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作者，利用清華大學(xué)-馬化騰巡天望遠(yuǎn)鏡（TMTS） ，在距離地球約2760光年處發(fā)現(xiàn)致密雙星系統(tǒng)TMTS J0526。系統(tǒng)中一顆熱亞矮星半徑僅為地球7倍（體積比土星還小），質(zhì)量卻達(dá)太陽(yáng)0.33倍，相當(dāng)于土星質(zhì)量的1150多倍，刷新“人類(lèi)已知體積最小恒星”紀(jì)錄。

要理解這顆恒星的特殊，得先搞懂兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)——“個(gè)頭小到離譜” 和“密度高到嚇人” ，咱們用太陽(yáng)系天體做對(duì)比就能弄明白了。

先看“個(gè)頭”。土星作為太陽(yáng)系第二大行星，赤道半徑約6萬(wàn)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(wàn)公里），而土星的半徑是地球的9.5倍，可以說(shuō)這顆恒星比土星小了一大圈。要是把它放進(jìn)太陽(yáng)系，它的體積只能排第四，小于太陽(yáng)，木星和土星。

這顆熱亞矮星體積雖小，質(zhì)量卻不小，是太陽(yáng)的0.33倍，換算成地球質(zhì)量約11萬(wàn)倍，而土星質(zhì)量為地球的95倍——這么算下來(lái)，它的質(zhì)量竟是土星的1150倍！打個(gè)比方：如果把土星比作一輛1.5噸的家用車(chē)，這顆熱亞矮星就相當(dāng)于一列1725噸的火車(chē)，體積沒(méi)大多少，重量卻翻了千余倍。

更顛覆認(rèn)知的是它的“身份”。過(guò)去天文學(xué)家公認(rèn)的最小恒星是2MASS J0523，體積相當(dāng)于木星大小，而這顆新發(fā)現(xiàn)的熱亞矮星，體積只有前者的一半左右，卻依然能維持穩(wěn)定的氦核聚變——要知道，恒星的核心必須有足夠壓力才能“點(diǎn)燃”核聚變，這顆“迷你星”剛好踩在“恒星資格線”上，再小一點(diǎn)就會(huì)變成無(wú)法發(fā)光的“褐矮星”。

這顆恒星的“迷你身材”不是天生的，而是被“暴力改造”的結(jié)果，背后藏著一段雙星系統(tǒng)的“相愛(ài)相殺史”。

故事要從21年前說(shuō)起。2003年，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)韓占文院士團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)理論：某些雙星系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷“兩次共有包層拋射”——簡(jiǎn)單說(shuō)，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(yù)言，這樣的過(guò)程會(huì)形成質(zhì)量低至太陽(yáng)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(méi)人找到實(shí)證。

直到TMTS望遠(yuǎn)鏡“盯”到了TMTS J0526，這個(gè)預(yù)言才被證實(shí)。這個(gè)雙星系統(tǒng)里，除了這顆迷你熱亞矮星，還有一顆質(zhì)量為太陽(yáng)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(zhì)重量堪比兩頭成年大象。

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(qiáng)，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(lái)，又經(jīng)歷了第二次“包層拋射”，外層物質(zhì)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(zhuǎn)——也就是說(shuō)，它們每20.5分鐘就互相“轉(zhuǎn)圈圈”一圈，換算成速度，相當(dāng)于每小時(shí)1.2萬(wàn)公里，比地球公轉(zhuǎn)速度快20多倍！

更神奇的是，它們還在持續(xù)“瘦身”。由于高速旋轉(zhuǎn)，這個(gè)雙星系統(tǒng)會(huì)向外輻射引力波（愛(ài)因斯坦1915年預(yù)言的“時(shí)空漣漪”），導(dǎo)致軌道能量不斷損失，兩顆星的距離會(huì)越來(lái)越近，軌道周期每年會(huì)縮短0.1秒——雖然看起來(lái)不多，但天文學(xué)家能通過(guò)觀測(cè)這個(gè)變化，進(jìn)一步驗(yàn)證引力波理論，相當(dāng)于給宇宙裝上了一臺(tái)“引力波計(jì)時(shí)器”。

別小看這顆“迷你恒星”，它的發(fā)現(xiàn)不僅是“破紀(jì)錄”，更給天文學(xué)研究打開(kāi)了兩個(gè)新窗口。

第一個(gè)價(jià)值是“驗(yàn)證理論”。過(guò)去國(guó)際天文學(xué)界對(duì)熱亞矮星的形成有多種猜測(cè)，韓占文院士團(tuán)隊(duì)的“兩次包層拋射”理論一直缺乏觀測(cè)證據(jù)。而TMTS J0526的各項(xiàng)參數(shù)——0.33倍太陽(yáng)質(zhì)量的熱亞矮星、0.74倍太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星、20.5分鐘的軌道周期——完美匹配理論預(yù)言，相當(dāng)于給這個(gè)中國(guó)提出的理論“蓋了章”，也讓人類(lèi)對(duì)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(chǔ)，搞懂這些“小個(gè)子恒星”的形成，就能更準(zhǔn)確地推測(cè)宇宙中恒星的“生老病死”。

第二個(gè)價(jià)值是“引力波探測(cè)”。未來(lái)，人類(lèi)計(jì)劃發(fā)射空間引力波天文臺(tái)（比如歐洲的LISA、我國(guó)的“天琴”“太極”），而TMTS J0526正是理想的“校準(zhǔn)源”。它在毫赫茲頻段輻射的引力波信號(hào)極強(qiáng)，天文臺(tái)一旦升空，就能清晰捕捉到它的信號(hào)，相當(dāng)于給探測(cè)設(shè)備“調(diào)準(zhǔn)焦距”，幫助科學(xué)家更精準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)的“功臣”——清華大學(xué)-馬化騰巡天望遠(yuǎn)鏡，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的多鏡筒光學(xué)巡天設(shè)備。它自2020年運(yùn)行以來(lái)，以1分鐘一次的頻率“凝視”北半球星空，累計(jì)收集了2700萬(wàn)顆恒星的數(shù)據(jù)，TMTS J0526就是從這些數(shù)據(jù)里“挖”出來(lái)的“寶藏天體”。這說(shuō)明我國(guó)的天文觀測(cè)設(shè)備已經(jīng)具備捕捉“宇宙極端現(xiàn)象”的能力，不再依賴國(guó)外望遠(yuǎn)鏡。

這顆“體積最小恒星”的發(fā)現(xiàn)，就像給天文學(xué)家打開(kāi)了一扇小窗：原來(lái)恒星可以小到這種程度，宇宙中可能還藏著更多“迷你星”。

天文學(xué)家推測(cè)，這類(lèi)通過(guò)“兩次包層拋射”形成的熱亞矮星，在宇宙中可能并不少見(jiàn)，只是因?yàn)樗鼈凅w積小、亮度低（亮度只有太陽(yáng)的幾萬(wàn)分之一），很難被觀測(cè)到。未來(lái)，隨著TMTS望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)“巡天”，以及我國(guó)“天琴”“太極”等引力波項(xiàng)目的推進(jìn)，或許會(huì)有更多“宇宙小鋼炮”被發(fā)現(xiàn)，甚至可能找到比這顆更小的恒星。

消息來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)官網(wǎng)2024年3月15日文章《最短軌道周期熱亞矮星雙星：驗(yàn)證21年前的理論預(yù)言》網(wǎng)址
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNzA4MTIwNA==&mid=2247500402》