科學家發現雙星在形成之初就已經歷過動力學「加工」

近日，中國科學院國家天文台研究員劉超在英國《皇家天文學月刊》上發表了他的最新工作，指出人們今天看到的雙星系統已經不是其原生狀態，而在它們誕生之初就經歷了高效的動力學加工（dynamical processing）。

一般而言，天文學家普遍認為場星中處於主序階段的雙星只有非常小的機會發生雙星演化，例如發生質量交換、雙星系統被瓦解等現象。絕大多數場星中的主序階段雙星保留了它們誕生以來的雙星統計特徵，如雙星存在比例、兩顆成員星的質量比等。這個假設一直以來都是雙星研究的重要基石，因為只有這個假設存在天文學家才可以從今天這些成年雙星的統計性質反向推測影響雙星誕生的各種物理機制。然而早在2011年，就有理論家提出假設，雙星和所有恆星一樣誕生於星團之中，在幾百萬年時間內，絕大多數星團迅速瓦解，這些年輕的恆星就變成星場中的一個個孤立成員。就在這短短的幾百萬年時間內，雙星可能由於星團的密集環境而頻繁與其它恆星發生交會，雙星束縛能較低的就很容易遭到動力學瓦解而形成兩顆單星。這一理論假說提出後一直沒有得到觀測的證實。

這項最新研究採用LAMOST巡天光譜數據結合Gaia天體測量信息，在赫羅圖上對雙星系統的性質開展統計分析。在主序階段，雙星系統因為有兩顆恆星所以會比同樣顏色的單星要亮一些。如果兩顆成員星的質量完全一樣，那它們的亮度就會比一顆星的亮一倍。利用這個特點，劉超發展了一個層次化貝葉斯統計模型，通過一組特定場星在赫羅圖上的分布估計雙星的比例和雙星質量比的分布。藉助50000多顆具有LAMOST金屬丰度和質量測量的晚型主序星，他對不同金屬丰度、不同主星質量恆星的雙星比和質量比分布進行統計分析。驚訝地發現雙星比和質量比分布存在非常強的關聯。主星質量較大、金屬丰度較高的星族雙星比很高，雙星間距較大，其雙星的質量比分布較平；而主星質量較小、金屬丰度較高的星族雙星比很低，雙星間距較小，同時其雙星質量比分布曲線陡峭，也就是說存在兩顆成員星質量接近的情況較多。

經過對這一奇異現象進行深入分析，他發現恆星形成之初、還處於年輕星團階段就經歷了非常有效的動力學加工。不斷地同相鄰恆星的交會將那些引力束縛能較低的雙星系統（主星質量偏小、兩顆恆星間距較大、兩顆成員星質量差距大）破壞掉，因而造成今天的樣子：即主星質量較小的星族雙星比例較低、恆星間距較小、質量比接近1的雙星系統較多。反之對於主星質量較大的星族，由於引力束縛能較高（主星質量大），較少受到動力學的加工作用。

這一複雜現象的解釋一方面終於證實了理論家的預言，即年輕星團中的動力學加工效率非常高，只要幾百萬年就可以將雙星系統破壞得面目全非；另一方面也告訴後來的研究者今天看到的場星中的雙星統計性質已經不再反映它們原初的樣子，而是經過動力學「加工」了的。當然這就給天文學家探索恆星形成的物理機制帶來了相當大的挑戰。審稿人在評價這項工作時指出「據我所知，它展示了一項重要的科學工作，可以極大地促進對雙星演化的理解」。著名的恆星星族研究專家Pavel Kroupa認為「這是一項重大而令人印象深刻的工作」。

此圖展示了不同金屬丰度的小質量主序恆星的赫羅圖，下面一條序列是單星組成的，上面一條恆星數目較少的序列是雙星組成的。

來源：中國科學院國家天文台，語音合成技術由科大訊飛提供

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