天文学家捕捉到一颗恒星正在一场可能持续数十亿年的盛宴中进食

科学家发现一颗恒星正在一场可能持续数十亿年的宇宙盛宴中缓慢吞噬其褐矮星伴星。

天文学家发现了一个距地球约300光年的不寻常恒星系统，其中一颗小恒星正在逐渐吞噬附近的一颗褐矮星。它并没有以一次剧烈事件吞下伴星，而是稳定地从伴星身上拉取物质，形成一种可能持续数十亿年的宇宙进食过程。

大多数行星，包括地球，都在相对稳定的轨道上绕其恒星运行。但这些平静的安排有时会以剧烈方式结束。如果行星过于靠近宿主恒星，恒星引力会将它拖向内侧并最终将其吞没。

科学家已观测到许多轨道稳定的行星系统，也观测到少数恒星正在迅速吞没其行星伴星。如今，研究人员发现了介于这两种极端之间的情况。

在10月5日发表于《自然·天文学》的一项研究中，由麻省理工学院科学家领导的一个国际团队描述了一颗恒星正在缓慢吸食一颗褐矮星。褐矮星的质量大于典型行星，但不足以维持为普通恒星提供能量的氢聚变。

这个被命名为ZTF J0440+2325的系统位于银河系内，距我们约300光年。这是首次观测到低质量恒星稳定地从另一个低质量天体吸取物质的例子。

更引人注目的是，物质转移似乎极其缓慢，以至于这颗恒星可能持续吸食其伴星数十万年，甚至可能数十亿年。

麻省理工学院物理学助理教授凯文·伯奇说：“当我们想到恒星与行星或褐矮星相互作用时，脑海中的图景总是恒星最终吞掉另一个天体。当太阳变成红巨星时，地球也会遭遇这种情况。但在这里，我们发现了另一种可能：恒星不是把那个天体一口吞下，而是可以逐渐吃掉它，持续数十亿年。”

麻省理工学院研究团队还包括亚伦·豪斯霍尔德、凯特琳·辛、索尔·拉帕波特、乔欣·查克拉博蒂和艾玛·奇克尔斯。其他合作者来自加州理工学院、夏威夷大学、西班牙加那利群岛天体物理研究所和拉古纳大学，以及哈佛-史密森天体物理中心。

一个困扰天文学家多年的神秘信号

第一条线索来自兹威基瞬变设施（ZTF），这是一个寻找亮度随时间变化天体的天文巡天项目。

ZTF使用加利福尼亚州帕洛马天文台的一台望远镜运行，反复拍摄夜空的大片区域。其灵敏相机能够探测到可能表明强大宇宙事件的突然或不寻常光变，包括被称为超新星的爆炸恒星、伽马射线暴以及中子星碰撞。

几年前，伯奇在检查ZTF收集的观测数据时，注意到一个特别奇怪的模式。

天文学家使用称为光变曲线的图表研究天体亮度的变化。对于某些超新星，这些图会形成圆润的钟形，因为爆炸恒星先变亮，然后逐渐变暗。

伯奇遇到的信号看起来完全不同。亮度不是平滑上升和下降，而是反复描出类似三角形的形状。

他回忆道：“我记得第一次看到它时想，恒星不会产生这样的三角波形。”

当时，伯奇和同事正在研究另一个不寻常信号，该信号最终被证明来自一个被称为“黑寡妇双星”的系统。

这些系统包含一颗中子星——大质量恒星极其致密的残骸——它快速旋转，同时从一颗小得多的伴星上剥离物质。它们以黑寡妇蜘蛛命名，因为中子星会逐渐摧毁其伴侣。

伯奇起初考虑，这个重复的三角形信号是否可能来自另一个黑寡妇系统。然而，观测结果与天文学家通常预期的不符。

在典型的黑寡妇双星中，两个天体质量的强烈差异会产生一种独特的运动。较小的伴星围绕重得多的中子星快速运动，造成到达地球的光发生可探测的变化。

但这个神秘的三角形信号没有显示出同样显著运动的证据。

伯奇说：“我们在这里没有看到那种来回甩动。这完全说不通。我们无法解释这是什么。”

这一差异促使研究人员考虑另一种可能。也许该系统并不包含一个超大质量天体与一个轻得多伴星的配对。相反，两个天体的质量可能都相对较小，使它们能以远不那么剧烈的运动相互绕转。

伯奇说：“如果系统总质量较小，天体可以温和地相互绕转，而不会来回甩动。这就是当时的想法。但我们一直没有证据。这个奇怪的三角形就这样搁置了多年。”

一颗每87分钟绕恒星一圈的褐矮星

最终，伯奇和麻省理工学院地球、大气与行星科学系研究生亚伦·豪斯霍尔德重新研究了这个无法解释的信号。

他们利用最初的ZTF观测数据，确定其来源是银河系中约300光年外的一个天体。随后，他们将多台望远镜对准这个系统ZTF J0440+2325，以更详细地研究其性质。

一项关键测量是确定系统天体在相互引力作用下移动了多少。尽管研究人员探测到一些摆动，但它远小于通常与黑寡妇双星相关的运动。

豪斯霍尔德说：“这才是这个系统的关键证据。当我们测量那种摆动时，发现我们看到的不是黑寡妇。这是一颗低质量恒星，由一颗褐矮星环绕。摆幅太小，不可能是其他东西。”

观测显示，两个异常致密的天体以极近的距离相互绕转。

中央恒星质量约为木星的85倍，而褐矮星质量约为25个木星质量。相比之下，太阳质量是木星的1000多倍。

褐矮星仅用87分钟就绕宿主恒星完整转一圈。它的整个轨道非常小，可以放进太阳的直径内。

这种极其紧密的排列表明，引力可能不仅仅让它们保持轨道运行。研究人员怀疑，恒星可能正在主动从褐矮星上拉走物质。

科学家发现一种新形式的恒星同类相食

当一个天体从另一个天体吸取气体或其他物质时，天文学家称这一过程为吸积。

吸积在涉及黑洞和中子星的系统中尤为常见。尽管这些天体质量可能极大，但它们的物理尺寸相对较小。例如，落向黑洞的物质通常会在其周围形成旋转盘，然后向内移动。

但ZTF J0440+2325似乎以不同方式运作。

收集物质的不是黑洞或中子星，而是一颗普通的低质量恒星从附近的褐矮星接收物质。由于恒星的实际表面比黑洞等致密天体大得多，入射物质可以直接撞击它。

伯奇解释说：“这里的区别在于，吸收物质的东西不是微型黑洞，而是一颗恒星，体积相对较大。所以物质会以极高速度直接轰击表面，就像小行星撞击月球一样。”

为了研究这是否真的发生，研究人员创建了该系统的计算机模拟。

他们模拟了来自褐矮星的粒子，并计算这些粒子在两个天体引力影响下会如何运动。模拟纳入了恒星及其伴星的测量性质，以及支配轨道运动的物理方程。

结果支持了团队的怀疑。离开褐矮星的物质沿着直接将其带入恒星的轨迹运动。

豪斯霍尔德说：“当我们追踪这些测试粒子时，看到它们确实径直落到恒星表面。这是我们第一次捕捉到一颗低质量恒星正在主动从另一个低质量天体吸积物质。”

一场可能持续数十亿年的宇宙盛宴

团队还估计了褐矮星失去物质的速度。

根据计算，这颗恒星每年消耗约十万分之一地球质量。

这个数量听起来可能微不足道，但它代表巨量物质。研究人员将其比作约4000万辆自卸卡车装载的物质，或者每秒约1.3万亿个一磅重的墨西哥卷饼。

尽管数字惊人，但褐矮星质量巨大，这种物质损失只占其总质量的极小部分。

从天文学角度来说，这个进食过程极其渐进。

根据该系统性质和估计的物质转移速率，研究人员认为，这颗恒星可能持续从其伴星吸取物质数十亿年。

恒星似乎不是在突然、灾难性的碰撞中摧毁较小天体，而是维持着来自邻居的相对稳定物质流。

这一认识也有助于解释最初吸引伯奇注意的奇怪三角形光变模式。

当物质从褐矮星流向恒星时，它以高速撞击恒星表面，产生一个极热区域。

这个明亮热点就像恒星上一个持续存在的火球。

当褐矮星沿87分钟轨道运动时，热点反复进入和离开观测者视野。这些可见性变化产生了天文学家此前难以理解的独特变亮和变暗模式。

伯奇解释说：“就像其中一个天体上有一个连续的火球，当一个绕另一个运行，这个热点会进入和离开视野，而三角形信号的峰值就是当你正对着火球看的时候。”

一个奇异恒星系统为行星演化打开新窗口

随着三角形信号终于得到解释，研究人员现在有兴趣寻找其他行为类似的恒星系统。

迄今为止，对恒星与其行星伴星近距离相互作用的观测，大多强调稳定轨道或相对迅速的吞噬事件。

ZTF J0440+2325表明还存在另一种可能。在适当条件下，一颗小恒星可以稳定地从附近褐矮星提取物质，而不立即摧毁它。

找到更多例子可以帮助天文学家确定这个过程有多常见、能持续多久，以及被困在如此极近关系中的天体最终会怎样。

这一发现还可能为那些在宿主恒星附近运行的行星和褐矮星的演化提供新见解。

豪斯霍尔德说：“这激发了我们开展许多新搜索。我认为我们将了解行星和褐矮星与宿主恒星相互作用的另一种方式。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

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