????近期,廈門大學(xué)顧為民教授的研究團(tuán)隊基于LAMOST的大樣本光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,結(jié)合其他光變數(shù)據(jù),搜尋得到了包含23個具有極端光變特征的食雙星系統(tǒng)樣本。通過深入研究發(fā)現(xiàn),該樣本中的雙星系統(tǒng)具有相似性,均由一顆低溫且充滿洛希瓣的亞巨星和一顆正在吸積的A型星組成。通過細(xì)致擬合光譜和測光數(shù)據(jù)確定了雙星系統(tǒng)的物理參數(shù),發(fā)現(xiàn)其中亞巨星的典型質(zhì)量僅為0.3倍太陽質(zhì)量,表明這些雙星系統(tǒng)經(jīng)歷了大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。該工作對理解低質(zhì)量吸積雙星的演化提供了重要的觀測資源。
???該研究工作已被國際天文學(xué)期刊《天體物理學(xué)報》(ApJ)接受發(fā)表,論文標(biāo)題為“A Sample of Extreme Eclipsing Binaries with Accretion Disks from LAMOST and ZTF”。該研究論文的第一作者是廈門大學(xué)天文學(xué)系博士生莊江欣欣,共同通訊作者是顧為民教授和張志翔博士。
研究背景
????天文學(xué)家研究表明,銀河系內(nèi)約半數(shù)以上的恒星存在于雙星或多星系統(tǒng)中。其中,食雙星(Eclipsing Binary)是指雙星在相互繞轉(zhuǎn)時彼此掩食造成亮度發(fā)生周期性變化的系統(tǒng)(如圖1所示)。此類系統(tǒng)的光變曲線蘊含雙星軌道和子星的參數(shù)信息,從而可以精確測定雙星中每顆子星的質(zhì)量和半徑,因此成為獲取準(zhǔn)確恒星參數(shù)的重要觀測對象。
????部分食雙星表現(xiàn)出極端的光變特征,包括顯著的亮度變化和特殊形態(tài)的掩食光變曲線。這些獨特的觀測特征通常暗示雙星系統(tǒng)存在極端物理性質(zhì),如極端的溫度比和顯著膨脹的子星,這些現(xiàn)象可能與其演化過程或物質(zhì)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。以英仙座 β 星(大陵五)為典型代表的Algol型雙星系統(tǒng),其核心特征是質(zhì)量較大的子星處于主序階段,而質(zhì)量較小的子星卻已演化成亞巨星或紅巨星。研究這類Algol型雙星系統(tǒng),可以用于校準(zhǔn)恒星演化模型、研究雙星中的恒星活動、物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程,以及物質(zhì)轉(zhuǎn)移后的恒星等。

圖1:Algol型食雙星相互繞轉(zhuǎn)時彼此掩食造成亮度發(fā)生周期性變化。圖片來自Astropical Space
LAMOST與ZTF聯(lián)合,篩選出獨特樣本
????郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)時域光譜巡天積累了海量恒星光譜數(shù)據(jù),結(jié)合Zwicky Transient Facility(ZTF)提供的長期光變數(shù)據(jù),極大地提升了對極端光變食雙星的發(fā)現(xiàn)與研究能力。再加上歐洲空間局蓋亞衛(wèi)星(Gaia)提供的距離信息,結(jié)合光譜與光變數(shù)據(jù)的擬合,可以精確限制雙星系統(tǒng)的基本物理參數(shù)。研究人員提出了基于極端光變特征的篩選條件:一是兩次掩食深度比大于20,二是光變振幅大于0.3 星等。與此同時,要求光譜中存在H-alpha發(fā)射線。這些標(biāo)準(zhǔn)旨在識別出具有顯著溫度差異且正處于物質(zhì)轉(zhuǎn)移階段的雙星系統(tǒng)。根據(jù)這些判據(jù),研究人員通過系統(tǒng)搜尋獲得了一個包含23個食雙星系統(tǒng)的樣本,深入研究發(fā)現(xiàn)該樣本中的雙星表現(xiàn)出驚人的相似性,確認(rèn)這些食雙星均為演化較晚期的Algol型雙星系統(tǒng)。
“三重”擬合探究雙星精準(zhǔn)物理參數(shù)
????傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)分析容易受到參數(shù)簡并性的影響,從而導(dǎo)致雙星系統(tǒng)參數(shù)的約束出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。該研究突破了單一維度擬合的局限,構(gòu)建了基于三種數(shù)據(jù)類型的聯(lián)合擬合方法,包括光譜能量分布(SED)擬合、LAMOST光譜匹配、ZTF或TESS光變曲線建模。再結(jié)合Gaia DR3提供的天體測量信息,采用馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC)算法限制恒星參數(shù),最終精準(zhǔn)得到了雙星系統(tǒng)的基本物理參數(shù)。圖2展示了樣本中的一個雙星系統(tǒng)J0039的聯(lián)合擬合結(jié)果。
????對整個樣本的擬合結(jié)果表明,這些雙星系統(tǒng)均由一顆低溫且充滿洛希瓣的亞巨星和一顆正在吸積的A型星組成。雙星中較小質(zhì)量的子星演化明顯快于較大質(zhì)量的子星,符合經(jīng)典的Algol型雙星系統(tǒng)的演化特征。整個樣本的軌道周期分布在2.57至19.21天之間。亞巨星的半徑范圍為2.5至8.9倍太陽半徑,有效溫度約為4000 K,典型質(zhì)量約為0.3倍太陽質(zhì)量,表明這些雙星系統(tǒng)經(jīng)歷了大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。光變曲線中呈現(xiàn)的橢圓調(diào)制變化和光譜中存在的H-alpha發(fā)射線,說明雙星系統(tǒng)內(nèi)部正在發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移。

圖2:樣本中的一個雙星系統(tǒng)J0039的SED、光譜和光變曲線聯(lián)合擬合結(jié)果。圖片取自論文圖集3
深度分析樣本的特殊性
???該研究從“顏色-星等”圖(Color-Magnitude Diagram)、發(fā)射線特征、脈動分析以及白矮星質(zhì)量-周期關(guān)系等多個方面,對樣本中的雙星系統(tǒng)性質(zhì)進(jìn)行了全面分析,揭示了其在物理性質(zhì)上的特殊性。
???在“顏色-星等”圖中,主星(組成雙星的兩顆子星中質(zhì)量較大的那顆)似乎遵循主序星的位置。然而,大多數(shù)樣本中主星的光度明顯低于質(zhì)量-光度關(guān)系所預(yù)期的值。該發(fā)現(xiàn)支持理論預(yù)言:從伴星獲取大量物質(zhì)的恒星會經(jīng)歷一個低光度階段。此外,顯著的H-alpha發(fā)射線表明在物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程中A型星周圍形成了吸積盤。在脈動分析中,有18顆主星位于
脈動不穩(wěn)定帶內(nèi),其中有2顆同時處于Delta Scuti與Gamma Doradus脈動不穩(wěn)定帶內(nèi)。光變曲線分析顯示,其中3顆主星表現(xiàn)出明顯的脈動特征,其脈動周期從18分鐘至8小時不等。這些具有脈動特性的Algol型系統(tǒng)為星震學(xué)和恒星演化研究提供了重要的觀測資源。在白矮星質(zhì)量-周期關(guān)系圖中,有6個亞巨星的質(zhì)量基本符合白矮星質(zhì)量-周期關(guān)系的預(yù)測,表明它們可能已進(jìn)入物質(zhì)轉(zhuǎn)移的末期。
????綜上所述,該工作不僅反映了Algol型雙星系統(tǒng)物理性質(zhì)的多樣性,還通過細(xì)致的擬合確定了雙星系統(tǒng)的物理參數(shù),為理解低質(zhì)量吸積雙星的演化提供了重要的觀測資源。
????該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目的資助。
????文章鏈接:https://arxiv.org/abs/2504.10818