近日，清華大學物理系王曉鋒教授課題組與合作者利用清華大學-馬化騰巡天望遠鏡(TMTS) 發現了一個由白矮星+熱亞矮星組成的特殊雙星系統，它們的軌道週期只有 20.5 分鐘。這也是理論預言的最短軌道週期熱亞矮星雙星。
藝術家繪製的TMTS J0526雙星系統。圖中較大的那顆是熱亞矮星，遠處較小的那顆是白矮星。（來源：清華大學物理系；繪圖：喻京川）
這對雙星編號為 TMTS J0526，距離地球約 2760 光年。其中一顆星是緻密的白矮星，而另一顆是相對稍大稍亮的恆星。事實上這對雙星中只有一個星是可見的，研究人員根據光變曲線判斷它正繞著一個看不見的緻密星體運動，軌道週期只有短短 20.5 分鐘，說明這兩顆星離得非常非常近。由此可以根據萬有引力定律推測出那顆看不見的星是質量為 0.74 倍太陽質量的白矮星。白矮星是類太陽恆星死後留下的殘骸，其質量不超過1.4倍太陽質量，但是它的體積僅和地球相當，因此具有極大的密度（電子簡併態）。由於體積太小，光度較弱，距離又太遠，無法被直接觀測到。
2020年12月18日晚間連續12小時的觀測資料（上圖）和其中3000秒光變曲線（下圖）（來源：Lin et al. 2024）
在對這顆可見星（編號 TMTS J0526B）進行連續光譜分析後，研究人員發現它不再是一個球形，而是一個橢球形！也就是說，這顆伴星因為離白矮星太近，在白矮星潮汐作用下發生了形變。再透過分析亮度、表面引力、有效溫度及質量半徑關係，研究人員驚奇地發現，這個可見星是一顆低質量、薄包層的熱亞矮星！
熱亞矮星，從字面上理解是指又熱又小的恆星。這類恆星擁有極高的表面有效溫度，可達太陽的4倍（＞20000K），是重要的紫外輻射源。然而它的質量卻不足太陽的一半。這類恆星表面以氦為主，失去了大部分的氫。其產生途徑可能有兩種，分別是“單星渠道”和“雙星渠道”。如果是單星的話，這種恆星可能是在紅巨星階段就透過星風拋掉了幾乎全部的氫殼層，但是目前尚無確鑿證據表明紅巨星有如此強大的星風。如果是雙星的話，它們必須是密近雙星，這樣紅巨星可以透過洛希瓣物質轉移和公有包層拋射損失大部分的外殼物質，從而留下一個又熱又小的熱亞矮星。
洛希瓣、穩定物質交流和共有包層示意圖（來源：百度百科）
研究人員根據可見星（TMTS J0526B）的光譜推測其直徑只有太陽的 6.8%，不過是地球的 7.4 倍而已，光度為太陽的 1.7 倍，有效溫度約2500K（太陽~5800K）。再根據表面重力和半徑等關係推測出其質量僅為太陽的36%。對此，研究人員認為它更像是一顆僅擁有很薄的氫外殼的熱亞矮星（sdB型），而不是一顆氦核白矮星。雖然在已發現的熱亞矮星中有超過一半的處於雙星系統，但是體積又小質量又小的幾乎是第一例，熱亞矮星的質量通常都在太陽質量的 0.45~0.5 倍——如果它確實是一顆恆星而非白矮星的話，那麼它也將成為人類已知最小的恆星。研究人員認為，這樣一個低質量熱亞矮星+白矮星組合以及極短的軌道週期，與中國科學院雲南天文臺韓佔文院士團隊在2003年做出的“透過第二次共有包層拋射通道形成低質量熱亞矮星”的理論預言相符合。
不同型別恆星的質量-半徑關係圖。左上角藍色虛線代表主星序。紫色區域代表熱亞矮星可能分佈的區域，TMTS J0526 雙星系統中的可見子星 J0526B 恰好落在該區域的最底端，是迄今發現的最小尺度的非簡併星。（來源：Lin et al. 2024）
另外，這種白矮星+熱亞矮星的緻密雙星在相互繞轉的過程中會產生毫赫茲引力波（10-3Hz），這個頻率是LIGO探測到的（兩個恆星級黑洞併合所產生的）引力波的萬分之一。這種引力波可以透過未來的空間引力波探測專案（如中國的“天琴”計劃、歐洲的LISA等）進行探測。而第二次共有包層物質拋射後，它們也會因引力波輻射而形成軌道週期短於20分鐘的極短週期雙星系統（UCB）。因此 TMTS J0526 必將成為未來引力波天文學重點研究物件。
理論上 TMTS J0526 雙星系統產生的引力波應變，它剛好在 LISA 專案（藍色虛線）和“天琴”專案（粉色虛線）可探測範圍中。（來源：Lin et al. 2024）
“天琴”計劃示意圖（來源：中山大學）
說起這次發現的望遠鏡，清華大學-馬化騰巡天望遠鏡（Tsinghua University-Ma Huateng Telescopes for Survey，TMTS）也值得一提。TMTS 是在馬化騰基金以及清華學堂班等專案支援下建立起來的獨特的巡天裝置，安裝在國家天文臺興隆觀測站，2019年底建成並投入使用。它的特點是巡天效率高，取樣率高。它由4個望遠鏡組成，一次曝光可覆蓋天區約月亮的90倍，1分鐘探測深度就可達到19.4等。TMTS 專案在國際上率先實現以亞分鐘頻率對星空的凝視觀測，即每晚僅對一兩個天區進行不間斷觀測。這種做法很容易發現短週期的變星，極大地拓展了極短時標天文探測。截至2023年底，TMTS 已累計獲取了超過 2700 萬顆恆星的短時標光變資料，發現了超過 1100 個週期短於2小時的變星。說個題外話，騰訊的創始人馬化騰兒時也有個天文夢，現如今這大概也是全網皆知的秘密了。TMTS 的卓越效能一定能幫助天文學家發現更多有趣的目標。
上述研究成果於2024年2月9日線上發表於《自然•天文學》（Nature Astronomy）。王曉鋒教授為本文通訊作者，清華大學原博士後林傑（現任中國科學技術大學特任副研究員）為本文第一作者，中國科學院雲南天文臺副研究員吳程遠（原清華大學物理系博士後）與澳大利亞國立大學博士研究生熊赫然為共同第一作者。
鳴謝：
林傑（中國科學技術大學特任副研究員，清華大學原博士後，本成果論文第一作者）
熊翊飛（中國科學院上海天文臺）
張銘緣（李政道研究所）
參考資料：
1. Lin, J., Wu, C., Xiong, H. et al. A seven-Earth-radius helium-burning star inside a 20.5-min detached binary. Nat Astron (2024).
2. Rebassa-Mansergas, A., “J0526+5934: a peculiar ultra-short period double white dwarf”, Astronomy & Astrophysics, 2024.
3. 王曉鋒課題組與合作者發現理論預言的最短軌道週期熱亞矮星雙星(https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1248/5851.htm)
4. 王曉鋒團隊發現罕見藍色大振幅脈動變星並解密其物理機制(https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1178/5310.htm)
5. 熱亞矮星 - 《中國大百科全書》第三版網路版 (zgbk.com)
6. 喬輝. 我國科學家發現最短週期熱亞矮星雙星引力波源，驗證了21年前的預言(https://view.inews.qq.com/a/20240209A06A7J00?shareto=wx&devid=4A9CBA19-D0BE-4696-B5A2-6839E12D20E9&qimei=2a3a9a3b9b24c1792f3986c8000010e15b1a&uid=443938284&qs_signature=000201550403bfadb060c474000b74a23b08f3a23b803109011192e1dbe6a77d3487d02b084d38a548d796e70000000000000000&appver=17.2.1_qqnews_7.3.30)
