“紅背蜘蛛”系統(tǒng)是一種特殊的脈沖雙星系統(tǒng)。它有什么有趣的特征，能告訴我們什么呢？最近，中國科學(xué)院國家天文臺的天文工作者使用FAST在球狀星團M92中也發(fā)現(xiàn)了一個這樣的系統(tǒng)。該研究工作被評為美國天文學(xué)會(AAS)2020年4月17日的研究亮點。本文將以此為例，介紹“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。
脈沖星是宇宙中最精確的時鐘。因為這個原因，脈沖星是天文學(xué)的重要研究對象之一。脈沖星是向地球發(fā)出周期信號的中子星，直徑大約二十千米，質(zhì)量和太陽差不多，非常致密，是大質(zhì)量恒星死亡的產(chǎn)物，在銀河系中主要分布在銀道面上和球狀星團（分布在銀河系各處，及呈球狀或橢球狀的星團）中；在近鄰的大小麥哲倫星系中也有發(fā)現(xiàn)。年輕的脈沖星具有較快的自轉(zhuǎn)速度，比如蟹狀星云中的脈沖星每秒鐘會旋轉(zhuǎn)約30圈。脈沖星通過旋轉(zhuǎn)將自身動能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量，比如電磁波，向宇宙空間釋放，并因此越轉(zhuǎn)越慢，并在數(shù)千萬年后由于自轉(zhuǎn)太慢而不能發(fā)射電磁波。如果脈沖星存在物質(zhì)吸積，如存在于雙星系統(tǒng)中，伴星的物質(zhì)可能就會受到脈沖星吸引而落向脈沖星。物質(zhì)吸積同時給脈沖星帶來了外界的能量，使得脈沖星自轉(zhuǎn)速度的減慢率下降，甚至可以加速脈沖星的自轉(zhuǎn)。毫秒脈沖星是自轉(zhuǎn)周期30毫秒(也有定義為20毫秒)以下的脈沖星，就是物質(zhì)吸積產(chǎn)生的。這樣的外界能量注入可以使得脈沖星，尤其是毫秒脈沖星，能在甚至誕生百億年后依然發(fā)射出電磁波并被探測到。
圖1: 中間是脈沖星，圍繞脈沖星運動的是它的伴星，一個小質(zhì)量恒星。，可以看到恒星物質(zhì)受脈沖星影響正在脫離，隨后被脈沖星吸積或者向宇宙空間布散。圖片來源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/11215
球狀星團分布在銀河系的銀暈上，有著高達到百億年的演化歷史；這使得在其中找到的脈沖星絕大多數(shù)也都是非常年老的毫秒脈沖星。銀河系有一百多個球狀星團，這些球狀星團的恒星密度、年齡等特征不盡相同，各個球狀星團中發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量也有很大差別。迄今，已經(jīng)在30個球狀星團中發(fā)現(xiàn)了157顆脈沖星。其中名為Terzan
5和47 Tuc
(NGC104)的兩個球狀星團位列第一第二，分別有38顆和25顆脈沖星；而更普遍的情況是，每個球狀星團中只找到了不超過5顆脈沖星。導(dǎo)致這種情況的原因，有觀測時長和靈敏度的不同，但更為重要的可能是球狀星團內(nèi)稟性質(zhì)有區(qū)別。
在球狀星團脈沖星中，有很多極端的例子。比如，人類發(fā)現(xiàn)的自轉(zhuǎn)最快的脈沖星，自轉(zhuǎn)周期1.39毫秒，是球狀星團中發(fā)現(xiàn)的。球狀星團脈沖星往往存在一個小質(zhì)量的伴星；脈沖星和伴星構(gòu)成雙星系統(tǒng)，互相繞轉(zhuǎn)。有的脈沖星雙星系統(tǒng)的軌道周期特別短，例如脈沖星J0024-7204R，其軌道周期只有1.58小時。有些脈沖星雙星系統(tǒng)的伴星質(zhì)量非常小，不足太陽質(zhì)量的百分之十。有的脈沖雙星系統(tǒng)還存在掩食的現(xiàn)象。
脈沖雙星系統(tǒng)有多種類型，所謂“紅背蜘蛛”系統(tǒng)（redback
system），是一種特殊的脈沖雙星系統(tǒng)。它的軌道周期往往短于1天，軌道偏心率非常接近0，伴星是一個只有太陽三分之一甚至更小質(zhì)量的恒星。最重要的特征是，伴星物質(zhì)正在被脈沖星吸積。這個系統(tǒng)的名字也是由這種吸積現(xiàn)象而來的。紅背蜘蛛屬于球蛛，身體是個大球，頭是個小球。
圖2. 紅背蜘蛛（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
紅背蜘蛛和用來命名另外一種脈沖星雙星系統(tǒng)的黑寡婦蜘蛛(black
widow)蜘蛛一樣，都傾向于把自己的伴侶吃掉，就像這兩種脈沖雙星系統(tǒng)中，脈沖星正在把伴星物質(zhì)吞噬掉一樣。圖1是表示這樣演化的動畫,圖2是紅背蜘蛛的圖片。長達百億年的演化使得球狀星團脈沖星有著非常高的毫秒脈沖星比例，也意味著其中的雙星比例也遠高于我們在銀河系銀盤上發(fā)現(xiàn)的脈沖星。這些球狀星團的脈沖雙星系統(tǒng)中就有超過10個“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。球狀星團中“紅背蜘蛛”系統(tǒng)中的伴星往往已經(jīng)演化成為了亞巨星，且處于軌道周期較短的雙星系統(tǒng)中，因此在真實的觀測數(shù)據(jù)中可以看到由于伴星物質(zhì)被脈沖星吸積而產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，包括脈沖到達時間延遲，脈沖星信號長達軌道周期40%甚至更長的掩食，甚至在一個軌道周期中出現(xiàn)不止一次的掩食。這樣的物質(zhì)吸積，會使得脈沖星的自轉(zhuǎn)被很快加速，如上文提到的自轉(zhuǎn)最快的脈沖星，也是“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。
我國自主設(shè)計建造的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡。自2016年落成以來，F(xiàn)AST一直在進行調(diào)試，并在2020年1月完成了國家驗收，開始開放運行。
在調(diào)試過程中，F(xiàn)AST團隊對一些球狀星團進行了脈沖星觀測，嘗試搜尋其中的脈沖星。我們在2017年10月9日的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一顆毫秒脈沖雙星，稱為M92A（或PSR
J1717+4308A）；圖3展示了我們發(fā)現(xiàn)這個脈沖星時看到的脈沖星信號的樣子。在接下來幾年中，后隨的計時觀測（timing）也完成了。這是FAST最早發(fā)現(xiàn)的球狀星團中的脈沖星之一，也是球狀星團M92中的首個脈沖星發(fā)現(xiàn)。在后續(xù)的觀測中，我們有著更多的發(fā)現(xiàn)，并且直到現(xiàn)在一直在對其密切監(jiān)測。
圖3，M92A發(fā)現(xiàn)時的圖片。其中左上角的波形表示的是脈沖星的信號形狀，左下的灰度圖顯示了在觀測的1800秒內(nèi)都能觀測到M92A的信號。中間的灰度圖和下方的波形表現(xiàn)了信號的色散特征，是判斷信號是否可能是脈沖星的重要依據(jù)。右側(cè)表示了信號周期的變化情況。
觀測表明，M92A自轉(zhuǎn)周期為3.16毫秒，色散量（等價于以單位面積為底，源到地球距離為高的一個長方體中的電子數(shù)量）為 35.45 pc cm-3處于一個典型的“紅背蜘蛛”系統(tǒng)中。M92A雙星系統(tǒng)的軌道非常接近圓形，軌道周期約0.2天，軌道半徑大約12萬千米，伴星質(zhì)量大約是0.18倍太陽質(zhì)量，處于主序星向巨星演化階段。觀測數(shù)據(jù)中看到了長達軌道周期40%的掩食，并且偶爾在掩食開始前或者結(jié)束后的約1000秒時間內(nèi)還會發(fā)生第二次掩食。較短的軌道周期和軌道半徑及掩食特征表明，伴星物質(zhì)正在被脈沖星吸積。圖4作為示意圖展示了這樣一種“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。
圖4，藍色的是脈沖星，紅色的是一個小質(zhì)量恒星?？梢钥吹胶阈堑奈镔|(zhì)被脈沖星吸積。而在雙星軌道運動過程中，存在恒星遮擋脈沖星的情況，即有掩食發(fā)生。圖片來源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/10625
這一研究使得我們可以通過脈沖星來研究球狀星團M92的演化，也為“紅背蜘蛛”系統(tǒng)增加了新的樣本。目前，這個脈沖星雙星系統(tǒng)仍然有一些問題有待探索，例如，物質(zhì)吸積速率是多少？這樣的吸積是什么時候開始的？還能持續(xù)多久？這些問題的解答將為我們帶來關(guān)于M92A演化的更多細節(jié)和故事。
不久的將來，隨著基于FAST的觀測和巡天的深入展開，我們很可能發(fā)現(xiàn)更多如“紅背蜘蛛”系統(tǒng)這樣的特殊的脈沖星和脈沖雙星。
論文鏈接：
https://aasnova.org/2020/04/17/pulsar-discovery-from-an-enormous-telescope/
參考文獻
[1] Pan et al. 2020, arXiv:2002.10337
