中欧合作科学卫星“天关”捕捉到罕见X射线双星系统

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中新网北京2月19日电 (记者 孙自法)中欧合作科学卫星“天关”(又称“爱因斯坦探针”，EP)最新又收获一项重要天文发现——其搭载的宽视场X射线望远镜(WXT，“万星瞳”)在银河系邻近的小麦哲伦云星系内，捕捉到来自一对罕见天体的短暂且高能量的X射线辐射事件，并利用其搭载的后随X射线望远镜(FXT，“风行天”)进行定向观测，获取到该辐射源爆发期间更为详细的X射线信息。

天关卫星艺术想象图(CREDIT: ESA/CAS)。中国科学院国家天文台 供图

中国科学院国家天文台2月19日向媒体通报说，“天关”卫星这一发现为探索大质量恒星的相互作用与演化开辟新途径，印证该卫星在捕捉宇宙中转瞬即逝的新型X射线源方面具有独特能力。其相关研究成果作为欧洲空间局(ESA，欧空局)首篇基于“天关”卫星数据主导的论文，北京时间2月18日夜间在国际学术期刊《天体物理杂志快报》(ApJL)上线发表。

罕见天体组合“难以捉摸”

这对奇特的天体组合包含一颗质量超过太阳10倍的炽热大恒星，以及一颗质量与太阳相当的致密白矮星。目前科学界仅发现少数此类系统，而此次是科学家首次能够全程追踪这种奇特双星系统从X射线突然爆发到逐渐消退的全过程。“万星瞳”探测到该奇特天体的X射线辐射后，为追溯这个编号为EP J0052的新天体的信号来源，科学家随即调用了“天关”的“风行天”进行定向观测。“万星瞳”的发现同时触发美国两台相关X射线望远镜对该天体进行观测；欧空局的XMM-牛顿望远镜也在触发信号18天后实施后续观测。

“我们在监测X射线暂现源时，偶然发现了小麦哲伦云中的这个新的X射线亮点。我们意识到正在观察的是某种不寻常的东西，只有‘天关’卫星能够捕捉到。”西班牙空间科学研究所博士后历西奥·马里诺(Alessio Marino)说，这是因为，在目前监测X射线天空的望远镜中，“万星瞳”是唯一一个能够以足够的灵敏度看到低能X射线的望远镜，从而捕捉到这个新的X射线源。

最初，科学家们认为EP J0052可能是一个常见的X射线双星系统，由一颗中子星吞噬其大质量恒星伴星的物质组成。然而，进一步的数据分析揭示出一个不同的真相。科学家们通过分析不同波长范围内的X射线变化，以及爆发物质中存在的氮、氧和氖等元素，最终确认了这对罕见天体的真实身份。

得益于“天关”在天体最初爆发时便成功捕捉到信号，科学家们得以对来自不同仪器的多批次数据进行分析。他们通过研究6天内光在一系列X射线波长上的变化，并识别出爆发物质中存在的元素，例如氮、氧和氖，其分析结果为研究提供了关键线索。

“我们很快意识到，这是一个极为罕见和珍贵的发现，是一对非常难以捉摸的天体。”历西奥·马里诺解释说，这对罕见的天体由一颗被称之为Be星的大质量恒星和一颗被称为白矮星的恒星“遗骸”组成，Be星的质量是太阳的12倍，而白矮星则是一个紧凑且超高密度的天体，其质量与太阳相当。

这两颗恒星紧密地相互环绕运行，白矮星凭借其强大的引力场从其伴星那里不断拉扯物质。随着越来越多的物质(主要是氢)不断落在白矮星这个紧凑的天体上，其强大的引力将这些物质不断压缩，直至引发一场失控的核爆炸。这一过程产生一道极为明亮的闪光，其波长范围涵盖了从可见光到紫外线以及X射线的广泛区域。

揭开双星故事“费解谜题”

不过，“天关”卫星最新这一发现也令人费解：Be型大质量恒星通常会迅速耗尽其核燃料储备，其生命历程短暂而激烈，大约仅持续2000万年。而它的伴星通常是类似太阳的恒星的坍缩遗迹，如果单独存在，其寿命可达数十亿年。

由于双星系统中的恒星通常一起形成，那么为何寿命本应短暂的恒星仍然光芒四射，而寿命本应更长的恒星却已经死亡了呢？

科学家们为此努力探索以寻求一个合理的解释。他们认为，这对双星最初是一对匹配度较高的双星系统，由两颗质量较大的恒星组成，其质量分别约为太阳的6倍和8倍。质量更大的恒星更早耗尽了其核燃料并开始膨胀，向其伴星抛射物质。最初，其膨胀的外层气体被伴星吸引；随后，其剩余的外层壳层被抛射出去，形成了一个包裹着两颗恒星的包层。这个包层后来演化为一个盘状结构，并最终消散。

在这场戏剧性的演化过程结束后，伴星的质量增长至太阳的12倍(也就是Be星)，而另一颗恒星的核心则坍缩为一颗质量略超太阳的白矮星。如今，白矮星开始从Be星的外层吸取并吞噬物质。

“这项研究为我们揭示了恒星演化中一个极为罕见的阶段，这是两颗恒星之间复杂物质交换的结果。”欧空局的研究员兼X射线天文学家阿什利·克瑞姆斯(Ashley Chrimes)评论道，“观察到一对相互作用的大质量恒星能够产生如此引人入胜的结果，令人着迷。”

欧空局的XMM-牛顿任务在“天关”首次观测到EP J0052的18天后对该方向进行后续观测，但未能再次探测到信号。这表明此次耀发的持续时间相对较短。

此次短暂爆发的持续时间，以及氖和氧的存在，暗示双星中白矮星的质量相当大，可能比太阳重约20%。其质量接近所谓的钱德拉塞卡极限，一旦超过这一极限，恒星将继续坍缩，最终可能变成一颗更为致密的中子星，或者作为超新星爆发。

“天关”国际合作意义深远

“天关”卫星由中国科学院主导，欧空局、德国马普地外物理研究所和法国航天局以国际合作形式参与卫星研制。此外，“天关”卫星在数据共享和科学管理上，组建一支300多人的国际联合科学团队，成员来自10多个国家的300余位科学家，为“天关”的科学成果产出提供极为强大和广泛的国际力量。

近年来，中国在空间科学领域取得显著进展，但在国际合作方面仍面临诸多挑战。在这样的国际背景下，“天关”卫星的成功国际合作显得尤为不易和珍贵。

“天关”卫星捕捉到一个奇特的双星系统发出的X射线闪，该系统由一颗比太阳大10倍以上的炽热大恒星和一颗质量与太阳相当的小型白矮星组成(CREDIT:ESA; LICENCE)。中国科学院国家天文台 供图

“天关”卫星首席科学家、中国科学院国家天文台袁为民研究员表示，EP J0052新天体的成功探测，也是“天关”卫星成功国际合作的体现。

“Be星与白矮星双星系统的爆发极为罕见，因为它们最适合用低能X射线进行观测。‘天关’的问世为我们提供了独特的机会，让我们能够捕捉到这些稍纵即逝的天体源，并检验我们对大质量恒星演化的理解。”欧空局“天关”卫星项目科学家埃里克·库尔克斯(Erik Kuulkers)指出，这一发现充分展示出“天关”卫星变革性的探测能力。

袁为民强调，“天关”卫星的国际合作具有深远意义：一是显著提升中国在国际空间科学时域天文领域的影响力和话语权，展现中国在空间科学领域的开放与合作姿态；二是国际合作促进技术和科学的交流与创新，推动中国相关技术的发展；三是通过数据共享和协同观测，“天关”卫星还为全球天文学研究提供重要的X射线数据支持，有力推动高能时域天文学的观测与研究发展。(完)