目前發(fā)現(xiàn)自旋最快的“吸血鬼恒星”正在不斷縮小，并將很快爆發(fā)

一張藝術(shù)想象圖，展示了白矮星從臨近恒星吸取物質(zhì)的過(guò)程（圖片來(lái)自羅伯特?李）

想象一個(gè)場(chǎng)景：你吃的越來(lái)越多，體重越來(lái)越重，但是身材卻變得越來(lái)越苗條。這聽(tīng)起來(lái)就像做夢(mèng)一樣不現(xiàn)實(shí)，尤其是當(dāng)你度過(guò)各種節(jié)日之后。但是，這種場(chǎng)景在宇宙中卻很可能真實(shí)存在。不幸的是，一顆死亡恒星的“節(jié)日大餐”將很快導(dǎo)致其在劇烈的超新星爆發(fā)后走向毀滅。這或許是宇宙在向我們展現(xiàn)“不勞而獲”的悲慘結(jié)果。

我們指的是一顆特殊的白矮星：它的半徑正在不斷縮小，顯示出其正在快速自旋，并像吸血鬼一樣從臨近恒星吸取物質(zhì)。雖然以我們有限的壽命來(lái)衡量，它不會(huì)很快發(fā)生超新星爆發(fā)，但是從宇宙的尺度下來(lái)看，它的爆發(fā)已經(jīng)迫在眉睫了。

我們正在研究的這顆白矮星（死去的恒星）是恒星HD 49798（距離地球1700光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的1.5倍）的伴星。天文學(xué)家從1997年就已經(jīng)開(kāi)始追蹤這顆不斷發(fā)射X射線的天體了。到了2009年，歐洲空間局在軌運(yùn)行的牛頓X射線望遠(yuǎn)鏡終于確認(rèn)它是一顆白矮星，并將其編號(hào)為RX J0648.0–4418。

1999年發(fā)射升空，重達(dá)3.8噸的牛頓望遠(yuǎn)鏡

這顆白矮星質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的1.2倍，是目前為止發(fā)現(xiàn)的自旋最快的白矮星，它每13秒就會(huì)旋轉(zhuǎn)一周，比目前自旋速度排名第二的白矮星（LAMOST J0240+1952，自旋周期為25秒）快了幾乎一倍。如此高速的自旋現(xiàn)象，是無(wú)法單獨(dú)通過(guò)白矮星吞噬物質(zhì)過(guò)程來(lái)解釋的。

意大利國(guó)家天文物理研究所的科學(xué)家桑德羅?梅雷赫蒂通過(guò)研究證實(shí)：這顆白矮星高速自旋的原因是其正在不斷縮小。

梅雷赫蒂表示：“人們對(duì)這顆不斷吸積物質(zhì)的致密天體最疑惑的一點(diǎn)是：它的質(zhì)量和角動(dòng)量增長(zhǎng)的速度是比較慢的，但是其自旋速度卻在不斷加快。”

并且這顆白矮星的奇特之處不僅在于其自轉(zhuǎn)速度，它還構(gòu)成了目前僅見(jiàn)的一種特殊雙星系統(tǒng)：在這個(gè)系統(tǒng)中，白矮星從另一顆高演化階段、氦燃燒的熾熱次矮星吸取物質(zhì)，并對(duì)外發(fā)出X射線。

雙星系統(tǒng)示意圖，其中白矮星從另一顆恒星吸取物質(zhì)

梅雷赫蒂對(duì)此進(jìn)行了解釋：“這個(gè)雙星系統(tǒng)和其它任何X射線雙星系統(tǒng)都存在很大差異，這是唯一觀測(cè)到熾熱次矮星物質(zhì)被臨近白矮星吸取的雙星系統(tǒng)。在雙星系統(tǒng)中，這種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間非常短暫，因此觀測(cè)到這種系統(tǒng)是非常罕見(jiàn)的。”

宇宙中的吸血鬼和滑冰者

當(dāng)一顆質(zhì)量約為太陽(yáng)8倍的恒星內(nèi)核物質(zhì)燒盡時(shí)，就會(huì)形成白矮星。這時(shí)，原本用于對(duì)抗引力的向外輻射能量過(guò)程會(huì)停止，導(dǎo)致恒星的內(nèi)核坍縮，而外層膨脹至最終消失，并失去大部分質(zhì)量。

這個(gè)過(guò)程通常會(huì)留下一顆孤零零的死亡恒星，就像太陽(yáng)在50億年之后的結(jié)局那樣。但是對(duì)于存在伴星的白矮星，其卻可以通過(guò)不斷吸取物質(zhì)而“恢復(fù)生機(jī)”。這個(gè)過(guò)程會(huì)同時(shí)增加白矮星的自旋速度，導(dǎo)致其自旋變快。

梅雷赫蒂表示：“雙星系統(tǒng)中的白矮星從伴星吸取物質(zhì)時(shí)，被吸取的物質(zhì)會(huì)圍繞白矮星形成一個(gè)吸積盤。吸積盤的內(nèi)圈邊緣旋轉(zhuǎn)速度會(huì)大于白矮星的旋轉(zhuǎn)速度，因此當(dāng)物質(zhì)落向白矮星表面時(shí)，會(huì)對(duì)其施加一個(gè)力矩，從而提升白矮星的旋轉(zhuǎn)速度。”

橙色漩渦中央有一顆白色星核，其旁邊存在一顆明亮的藍(lán)色星體（圖片來(lái)自：弗朗西斯科?馬利戈迪，背景圖來(lái)自美國(guó)航空航天局、歐洲航天局和美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的布朗）

這意味著當(dāng)研究白矮星的自旋速度時(shí)，不僅需要考慮到其吸積物質(zhì)的過(guò)程，也需要考慮角動(dòng)量的變化。但是，這些原因依然不足以解釋這顆白矮星的高速自旋現(xiàn)象。

梅雷赫蒂對(duì)此解釋說(shuō)：“在物質(zhì)吸積速度和角動(dòng)量增長(zhǎng)速度之間，是存在著已知的關(guān)系的。也就是說(shuō)，如果知道了物質(zhì)吸積速度，我們可以大致計(jì)算出來(lái)這顆白矮星自旋加速的具體數(shù)值，而白矮星的吸積速度又可以依據(jù)X射線的亮度進(jìn)行估算。但是最終的計(jì)算表明：這些因素并不足以解釋白矮星的高速自旋現(xiàn)象。”

那么還有什么其它原因呢？經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：如果這顆死去恒星因?yàn)槭湛s體積導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，那么它的自旋速度就可以得到解釋了！

我們可以用地球上一個(gè)常見(jiàn)的例子來(lái)說(shuō)明一下：一個(gè)做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在收起手臂時(shí)，其旋轉(zhuǎn)速度會(huì)加快。

白矮星尺寸的縮小導(dǎo)致自旋加快，就像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員收縮手臂時(shí)的高速旋轉(zhuǎn)一樣。

梅雷赫蒂說(shuō)：“白矮星在其生命的第一個(gè)百萬(wàn)年之間，會(huì)出現(xiàn)尺寸的收縮，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變，這可以解釋這顆白矮星的自旋加快現(xiàn)象。”

我們所觀測(cè)到的其它白矮星，其年齡都已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億年，而這顆白矮星的壽命只有幾百萬(wàn)年，因此科學(xué)家們才有可能觀測(cè)到其收縮的過(guò)程。

如果研究一下這顆白矮星的壽命，會(huì)發(fā)現(xiàn)其可以稱得上是“短命”的天體！

這顆白矮星什么時(shí)候會(huì)發(fā)生爆炸？

RX J0648.0–4418這顆白矮星不僅僅是目前發(fā)現(xiàn)的自旋最快的白矮星，其質(zhì)量在白矮星中也是數(shù)一數(shù)二的！

這和其生命周期有關(guān)。

我們發(fā)現(xiàn)的大部分白矮星質(zhì)量都在0.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量附近，但這顆白矮星質(zhì)量大約是1.2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。這一點(diǎn)非常值得關(guān)注，因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)量已經(jīng)接近了錢德拉塞卡極限質(zhì)量，也就是1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

一旦達(dá)到錢德拉塞卡極限后，一顆星體就具備足夠的質(zhì)量成為超新星了。

這張圖展示了SN2014超新星，其是近年來(lái)爆發(fā)的距離地球最近的la型超新星。（圖片來(lái)自美國(guó)航空航天局、歐洲航天局、古珀（斯德哥爾摩大學(xué)）、哈勃遺產(chǎn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)）

梅雷赫蒂說(shuō)：“白矮星存在一個(gè)質(zhì)量的上限 – 大約是1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。而這顆白矮星已經(jīng)接近這個(gè)質(zhì)量上限，并且還在不斷吸取物質(zhì)。這顆白矮星何時(shí)會(huì)突破質(zhì)量上限變?yōu)槌滦悄兀坎煌睦碚撚?jì)算模型得到的結(jié)果雖然略有差異，但是都認(rèn)為小于10萬(wàn)年。”

聽(tīng)上去10萬(wàn)年已經(jīng)非常長(zhǎng)了，但這是以我們?nèi)祟悏勖鼇?lái)看的，要知道太陽(yáng)當(dāng)前的歲數(shù)已經(jīng)達(dá)到了46億年。

梅雷赫蒂對(duì)此肯定：“10萬(wàn)年在天文學(xué)的角度來(lái)看，是非常短暫的時(shí)間。”

并且這顆白矮星向超新星轉(zhuǎn)化的速度還會(huì)加快，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，其伴星（白矮星的“物質(zhì)捐贈(zèng)者”）自身的演化會(huì)導(dǎo)致白矮星吸積物質(zhì)的速度加快。

梅雷赫蒂詳細(xì)做了解釋：“這顆白矮星的伴星目前處于氦燃燒階段，它向外噴射的是較為稀薄的氣體，然后被白矮星吸入。但是等到氦燃燒階段的末期，這顆伴星將會(huì)發(fā)生膨脹，那時(shí)白矮星將可以從其膨脹的外層吸取到更多的物質(zhì)。”

在其爆發(fā)前，RX J0648.0–4418 / HD 49798這個(gè)雙星系統(tǒng)依然有很多值得研究的地方。16年前，梅雷赫蒂所在的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)雙星系統(tǒng)，未來(lái)他們將會(huì)揭開(kāi)更多的秘密。

梅雷赫蒂說(shuō)：“這個(gè)雙星系統(tǒng)是罕見(jiàn)的，其X射線觀測(cè)結(jié)果中，依然有很多方面無(wú)法被完美解釋。未來(lái)更加靈敏的X射線觀測(cè)設(shè)備將有助于我們的進(jìn)一步研究。”

梅雷赫蒂的這些研究結(jié)果已經(jīng)寫(xiě)入一篇同行預(yù)評(píng)審論文，發(fā)表在預(yù)印本文獻(xiàn)庫(kù)網(wǎng)站中。

BY:Robert Lea

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