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【中国科学报】小质量双星之间的“反客为主”

——新研究尝试揭示球状星团多星族现象原因

2020-05-08 中国科学报 任芳言
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  银河系中,球状星团是恒星分布最密集的地方,星团中的恒星以数十万计。

  以往研究认为,一个星团里的恒星全部产生于同一次星云坍缩,这意味着恒星在同一时期诞生,其星球表面的碳、氧、钠等元素的丰度也保持一致。

  但实际上,球状星团中超过半数的恒星表面元素丰度都不一样,这也被天文学家称为多星族现象。最近的一项研究显示,球状星团中质量相对较小的两个恒星之间会发生物质交换,而这可能是多星族现象产生的原因之一。

  通过计算和模拟,澳门赌场云南天文台博士生魏丹丹,研究员姜登凯、王博等人对球状星团中小质量双星间发生的物质交换进行了阐述。相关研究成果发表于《皇家天文学会月刊》。

  多星族现象原因待解

  球状星团中的恒星,都是银河系中的老前辈,它们是最早形成的一批恒星。星团内恒星分布更密集,所以彼此间更易相互影响、发生物质交换。弄清其运作机制,对理解恒星演化有重要意义。

  魏丹丹告诉《中国科学报》,本次发表的研究中,用到了杜鹃座47等三个不同球状星团中未演化或初步演化恒星的观测数据。

  “据观测,球状星团里,50%~70%的恒星表面元素丰度都有异常,具体表现如钠元素更多而氧元素更少,碳元素更多而氮元素更少。”魏丹丹表示,这些元素间的反相关,意味着恒星内部曾发生核反应。

  此前,天文学家曾利用星团里中等质量和大质量的恒星设立模型,以阐释星团中恒星表面为何出现元素丰度异常。但目前来看,由现有模型推算出的元素丰度异常的恒星数量,与实际观测到的数量并不一致。

  这意味着,还有相当一部分恒星表面的元素丰度异常没有找到原因。

  此外,研究团队还注意到一个现象:“当未演化或初步演化的恒星发生核反应时,反应产生的物质会处于恒星内部,但我们却在恒星表面观测到了这些物质。”魏丹丹解释,这意味着恒星表面丰度异常的原因可能来自外部。

  他们将目光投向了球状星团中的小质量双星系统。

  双星系统间的物质交换

  与“独自美丽”的单颗恒星相比,一些小质量恒星会与其它恒星结成对子,形成双星系统。“这也许是恒星元素丰度异常的原因。”魏丹丹表示。

  接着,研究团队将星团中0.9~1.9倍太阳质量的小质量双星作为研究对象,发现双星系统内的物质交换,实为一出“反客为主”的戏码。

  双星系统中,质量相对更重的是主星,另一颗则为伴星,每颗恒星都有自己的“势力范围”,当率先演化的主星发生膨胀,其周围的物质会超过原有“势力范围”,从而被一旁的伴星吸走。

  两颗恒星质量差距越大、轨道距离越短,这种物质的转移就会越多。伴星越吸越多,甚至主星内部更深层的、经历过核反应的物质,也会被转移到伴星表面。此时,伴星表面会出现元素丰度异常,即多星族现象。

  “也就是我们观测到的钠氧反相关、碳氮反相关。”魏丹丹解释。

  最终,主星会演化成白矮星——这是绝大多数恒星的归宿,伴星虽然还未演化,但由于从主星处吸走不少物质,质量会比先前重得多。

  该研究表明,小质量双星系统内发生的稳定物质转移,是球状星团中恒星元素丰度异常的原因之一,可帮助人们更好地理解球状星团的演化。

  “球状星团多星族是一个非常有趣的课题,双星相互作用也是复杂且多变的,”姜登凯告诉《中国科学报》,“接下来,我们会进一步研究双星演化与球状星团中多星族现象间的关联。”

  相关论文信息:https://doi.org/10.1093/mnras/staa613

  (原载于《中国科学报》 2020-05-08 第4版 综合)
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