宇宙級“追星”！廈大科研團隊揭開神秘天體面紗

比太陽還重的天體，被壓縮在直徑不到30公里的空間內，會是怎樣的存在？

它，就是宇宙中一種能量“爆表”的神秘天體——中子星，其直徑一般只有20公里左右，是質量為8至25倍太陽質量的恒星“死亡”后核心留下的致密天體。

【資料圖】

近日，廈門大學天文學系教授顧為民的研究團隊及其合作者，在距離地球約1037光年的銀河系中發現了一顆特殊的寧靜狀態中子星，它還有一顆約為0.6倍太陽質量的紅矮星伴星。兩個天體組成一個雙星系統，每6.6小時相互繞轉一周，猶如一對翩翩起舞的伙伴。這項研究成果日前發表在國際權威的天文刊物之一的《自然·天文》上。

被“舞伴”出賣的中子星

1967年，當第一顆中子星同時也是第一顆脈沖星被探測到時，曾被誤以為是外星人發來的信號。隨著更多的中子星被探測到，天文學者發現，一些中子星表面存在強大的磁場，或通過吸積周圍物質產生劇烈的X射線輻射。

由論文第一作者、廈門大學天文學系伊團博士繪制的單線譜雙星系統 受訪者供圖

“也因此，通常通過射電或X射線觀測就能搜尋到這些中子星。”顧為民解釋道。中子星記錄了大質量恒星的質量分布、演化歷史、銀河系重元素增豐等關鍵信息。“比如，黃金可能主要來源于中子星的碰撞。”

可是，有一類中子星頗為低調。它不會發射射電脈沖，也沒有吸積物質產生高能輻射。因為不可見，現有的技術手段無法探測到它。

“但它的‘舞伴’會‘出賣’它。”顧為民說。

他解釋說，一個明亮的恒星和一個不可見的天體，可以組成一類特殊的雙星系統“單線譜雙星”，恒星在不可見天體的引力場中做周期性運動，如同一對“舞伴”。根據光譜的多普勒移動，能推斷出它們的屬性，搜尋“塌縮星”（即黑洞）和中子星。

“光譜能夠揭示天體的運動狀態、溫度、質量和化學成分，就像它們的‘身份證’。”顧為民說，但此法有一定的局限性，需要捕捉到被測天體的多達十余次甚至幾十次的重復曝光的光譜數據。

如果被測天體只有2至5次連續曝光的光譜呢？

這樣的天體大量存在于LAMOST望遠鏡（又稱“郭守敬望遠鏡”）所發布的恒星光譜數據中。

坐落在河北興隆的郭守敬望遠鏡，是我國自主研發的主動反射式施密特望遠鏡，具有領先世界的恒星光譜獲取率和大規模時域巡天的優勢。它所發布的約2000萬條恒星光譜數據，是國際上所有其他光學巡天項目發布恒星光譜數據總和的兩倍。

郭守敬望遠鏡 資料圖片

“如同一條盛產黃金的河流，這個數據庫是所有天文學者的‘獵場’，但許多天體的曝光光譜有限，只能先被‘晾在一旁’，如同璞玉等待著被挖掘。”顧為民說。

2019年，論文的共同通訊作者之一、中科院國家天文臺研究員劉繼峰發起“LAMOST黑洞獵手計劃”，團隊由中科院國家天文臺、廈門大學、南京大學、中科院上海天文臺、武漢大學等跨院校研究組的數十名成員組成。他們的目標，是基于LAMOST望遠鏡的時域巡天數據，發現并測量更多的黑洞、中子星等致密天體。

顧為民潛心天體物理的理論研究已有20余年，在“LAMOST黑洞獵手計劃”啟動的前一年，他從理論轉向實地觀測天體，率先提出了一個新方法——

利用相鄰兩次曝光的視向速度變化率，結合時域測光得到的光變曲線所暗含的軌道周期信息，來獲取單線譜雙星中不可見天體的質量下限。

“如同400米跑步，一圈下來僅捕捉到三個位置的運動速度，但也值得推測是否能被研究。”顧為民說，這個方法能估算出不可見天體質量的最小值，從而確定它是否為中子星候選體。

顧為民在帕洛瑪天文臺開展觀測工作。 受訪者供圖

在近半年的時間里，顧為民團隊在電腦屏幕前日日守到深夜，在3000多個可能包含致密天體的單線譜雙星中尋找目標，猶如沙里淘金。最終，他們不僅將研究目標縮至10余個，還為發現一批致密天體候選源奠定了基礎。

一次“孤注一擲”的觀測

不過，10余個“候選金子”每個僅有2至5次連續曝光的光譜，仍難以給出一個科學可信的結論。

進一步研究，團隊終于注意到了一個雙星系統。“它是由一顆0.6倍太陽質量的紅矮星和一顆未被望遠鏡探測到的不可見天體組成，這個不可見天體極可能是一個致密天體。”顧為民說。

需要增加觀測次數，收集足夠多的數據，方能揭開神秘天體的“面紗”。

通過“競標”，顧為民團隊獲得了美國帕洛瑪天文臺海爾5米望遠鏡兩個晚上的觀測時間。經過半年的等待，2019年3月，顧為民與廈大天文系王俊峰教授抵達帕洛瑪天文臺，準備對數個雙星系統進行時域光譜觀測。

誰知天公不作美，帕洛瑪山連續下了多日大雪，第一個晚上鵝毛大雪仍下不停，空氣濕度過大，觀測機會打了水漂。

第二天，雪停了！兩人來不及歡呼，急著調整觀測計劃。“與400米長跑相比，50米的時間更短。只剩一個晚上，我們決定孤注一擲，將觀測的重點放在一個軌道周期短的目標上。”顧為民說。

這正是后來發現的雙星系統中的那顆中子星。

此后，結合美國凌日系外行星巡天衛星（TESS）的高精度測光觀測，這顆天體的“面紗”終被揭開：該雙星系統中不可見伴星的質量約為1.24倍太陽質量，可能是中子星或極大質量白矮星。團隊又對雙星系統的紫外光學能譜進行仔細分析，未發現來自白矮星的紫外輻射，因而推斷該伴星是一顆中子星。

這是天文學界首例利用時域光學觀測發現的中子星候選體。

值得一提的是，就在不久前，利用時域光學觀測，顧為民團隊發現了另一個處于寧靜態的中子星候選體與類太陽矮星組成的雙星系統，該系統距離地球約400光年，這是目前人類已經發現的包含中子星的雙星系統中距離地球最近的一個。相關結果已在科研論文預印本網站arXiv.org上公布，正式論文即將投稿。

顧為民說，這兩顆寧靜態中子星的發現，顯示了使用時域光學觀測來發現非吸積和無脈沖信號的寧靜態中子星的可行性，為搜尋更多神秘天體打開了一扇新的窗口。（記者 林霞）

關鍵詞： 宇宙級追星廈大科研團隊揭