蜘蛛脈沖星是在近距離軌道上有伴星的中子星。伴星將物質(zhì)脫落到中子星上，使其旋轉(zhuǎn)到毫秒的自轉(zhuǎn)周期，而軌道縮短到數(shù)小時。伴星最終被脈沖星風和輻射 " 燒蝕 " 并毀滅。它們是研究吸積 X 射線脈沖星與孤立的毫秒脈沖星、脈沖星輻照效應(yīng)和大質(zhì)量中子星誕生之間的演化聯(lián)系的關(guān)鍵。

(資料圖)

2023 年 6 月 20 日，貴州大學 / 中國科學院國家天文臺姜鵬、中國科學院國家天文臺韓金林及美國內(nèi)華達大學 B. Zhang 共同通訊在Nature 在線發(fā)表題為 "A Binary Pulsar in a 53-minute Orbit" 的研究論文，該研究報告了對雙毫秒脈沖星 PSR J1953+1844 ( M71E ) 的射電觀測。

據(jù)悉，此前的 3 月 8 日，云南大學張喜光及英國杜倫大學 Martin R. Smith（云南大學楊杰及貴州大學蘭天為文章的共同第一作者）在Nature 在線發(fā)表題為"Protomelission is an early dasyclad alga and not a Cambrian bryozoan"的研究論文，該研究表明 Protomelission 是一種早期的絨枝藻，而不是寒武紀苔蘚蟲。

PSR J1953+1844 ( M71E ) 是在 2021 年使用 500 米口徑球面射電望遠鏡 ( FAST ) 發(fā)現(xiàn)的，由 FAST 銀河平面脈沖星快照調(diào)查發(fā)現(xiàn)，并確定為雙星。利用 FAST 球狀星團脈沖星調(diào)查的存檔數(shù)據(jù)，確定了其軌道參數(shù)。后續(xù)觀測于 2021 年 9 月開始。通過脈沖星定時測量了它的自旋、天文測量和軌道參數(shù)。它的軌道周期為 53.3 分鐘，而之前記錄的雙星脈沖星軌道周期是來自 J1653-0158 的 75 分鐘，來自光源 ZTF J1406+1222 的 62 分鐘。該脈沖星的色散測量值為 113.1 pc cm 3，接近但低于 M71。

它的計時位置 ( J2000 19:53:37.95 +18:44:54.3 ) 距離 M71 的中心大約 2.5 弧分 ( J2000 19:53:46.49 +18:46:45.1 ) 。錢德拉 X 射線幾乎在定時位置被識別出來，而沒有光學 ( SDSS ) 、紅外 ( 2MASS ) 或伽馬射線 ( 費米衛(wèi)星 ) 在檔案數(shù)據(jù)的定時位置周圍被識別出來。錢德拉數(shù)據(jù)的細節(jié)可以在方法中找到。M71 的核心半徑、投射半光半徑和半質(zhì)量半徑 ( 3D ) 分別為 1.07、3.32 和 4.81 pc。假設(shè)到脈沖星和球狀星團的距離相同，這顆脈沖星不在 M71 的核心區(qū)域，而仍在 M71 的外圍。因此，這顆脈沖星是否是這個球狀星團的成員是有爭議的。作者把它命名為 M71E，因為它離 M71 很近，很可能是 M71 中的雙星。假設(shè)脈沖星的質(zhì)量為 1.4 M ⊙ ( 中子星的典型質(zhì)量 ) ，并根據(jù)時間解，得到最小伴星質(zhì)量為 0.008 M ⊙。

由于毫秒脈沖星的質(zhì)量分布可能是雙峰的，而蜘蛛中的脈沖星質(zhì)量往往更重，為了進一步分析，作者假設(shè) M71E 中子星的可能質(zhì)量為 1.0、1.4 或 2.0 M ⊙。緊湊的軌道消除了主序伴星的可能性，只有白矮星或褐矮星的密度足夠達到這樣的周期。根據(jù) M71E 計時得到的質(zhì)量函數(shù)，研究人員對軌道傾角與伴星質(zhì)量的關(guān)系給出了一個一般性約束。

M71E 在伴星質(zhì)量 - 軌道周期平面上的位置及其與雙星演化模型的比較（圖源自 Nature ）

研究人員首先考慮白矮星伴星。分離雙星系統(tǒng)中白矮星質(zhì)量的觀測下限為 ~ 0.16M ⊙，理論質(zhì)量下限為 ~ 0.14 M ⊙，低于此下限的白矮星很難從雙星演化中形成。在假定脈沖星質(zhì)量的大范圍內(nèi)，為了使伴星質(zhì)量大于或等于 0.16 M ⊙，允許的傾角應(yīng)該非常接近，即 i < 3.6 o。對于軌道傾角的隨機分布，即使脈沖星質(zhì)量為 2.0 M ⊙，出現(xiàn)如此小的軌道傾角的概率也小于 0.3%。此外，沒有直接的雙星演化通道來形成如此緊密軌道的分離白矮星 - 中子星雙星。因此，作者不贊成 M71E 的伴星是白矮星。

蜘蛛脈沖星的形成通道仍有爭議。考慮到這個系統(tǒng)可能位于球狀星團中，原則上可能是交換相互作用的產(chǎn)物。然而，由于缺乏對該通道的自洽計算，目前尚不清楚 M71E 的具體參數(shù)是否可以用動態(tài)通道來解釋。此外，不能排除該系統(tǒng)是由中子星 - He/CO 白矮星系統(tǒng)演化而來，具有穩(wěn)定的傳質(zhì)過程。這樣的中子星 - He/CO 白矮星雙星的軌道周期可以達到 53.3 分鐘，此時 He/CO 白矮星的質(zhì)量點應(yīng)該在 0.01 M ⊙左右。此外，這類中子星 - He/CO 白矮星雙星的軌道周期預(yù)計在 6.80 9.64 min 左右，明顯小于 M71E 的軌道周期，因為 He/CO 白矮星的質(zhì)量降低到 0.05 0.10 M ⊙。然而，在這種情況下，作者沒有考慮脈沖星發(fā)射蒸發(fā)的影響，這可能會擴大雙星分離并有助于解釋 M71E 的性質(zhì)。

綜上，該研究表明雙毫秒脈沖星 PSR J1953+1844 ( M71E ) 的軌道周期為 53.3 分鐘，伴星質(zhì)量為 0.07 M ⊙。它是一個微弱的 X 射線源，距離球狀星團 M71 的中心 2.5 角分。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06308-w

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