宇宙物理科普：宇宙中的“兩體”是什么？
作者：池涵
發(fā)布時(shí)間：2019-12-13
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宇宙物理科普：宇宙中的“兩體”是什么？
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四年前，我國(guó)著名科普作家劉慈欣憑借其科幻小說(shuō)《三體》獲得“雨果”獎(jiǎng)，在國(guó)內(nèi)掀起了一場(chǎng)不小的科普熱。小說(shuō)中的“三體”是三顆相互環(huán)繞的“太陽(yáng)”，由于運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性及相互之間復(fù)雜的引力擾動(dòng)，致使生活在那里的“三體文明”經(jīng)受了百余次毀滅與重生，最終逼迫他們打算逃離這種無(wú)常的“三體”母星。
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研究表明，宇宙中超過(guò)一半的恒星都是以雙星或多體系統(tǒng)存在。我們要講述的“兩體”就是宇宙中普遍存在的雙星系統(tǒng)，相對(duì)“三體”，它們要簡(jiǎn)單很多。如果雙星之間距離超過(guò)了100 AU （天文學(xué)將一倍日地間距定義為1個(gè)天文單位，即1 AU），我們通常稱(chēng)這類(lèi)雙星為寬距雙星，反之，稱(chēng)為密近雙星。
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如果“三體”像科幻小說(shuō)中講述那樣會(huì)給文明帶來(lái)災(zāi)難，讓人難以琢磨，那么你有沒(méi)有思考過(guò)看似簡(jiǎn)單的“兩體”？它們能為人類(lèi)揭示什么重要的宇宙秘密？
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“兩體”也不簡(jiǎn)單
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由三峽大學(xué)天文與空間科學(xué)研究中心、加州大學(xué)伯克利分校、馬克斯普朗克天文研究所等多個(gè)單位組成的研究團(tuán)隊(duì)利用歐空局蓋亞衛(wèi)星的巡天數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)鄰域的寬距雙星開(kāi)展了系統(tǒng)研究。近日，該團(tuán)隊(duì)完成了兩項(xiàng)新的研究成果。其中一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，寬距雙星的間距分布并非像傳統(tǒng)假設(shè)那樣服從一個(gè)單一的冪律譜，而是在大約0.1 pc（秒差距，1 pc 大約為3.26光年）的間距處，不同星族的雙星其間距分布發(fā)生了不同程度的斷裂，該斷裂特征蘊(yùn)藏著重要的物理機(jī)制，這項(xiàng)成果被國(guó)際權(quán)威天文期刊《天體物理期刊增刊》正式接受，即將正式出版；另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，寬距雙星樣本中“雙胞胎”星的比例異常地高，甚至在超過(guò)1萬(wàn)AU的間距上，該異常依然存在，該成果已正式發(fā)表在英國(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上。
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論文的主要作者之一、三峽大學(xué)田?？〔┦扛嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，寬距雙星是最簡(jiǎn)單、最小、最脆弱的天體系統(tǒng)之一。由于成員星離的較遠(yuǎn)，寬距雙星的軌道十分脆弱，極易受到外界引力或內(nèi)部成員星演化所擾動(dòng)甚至破壞，它們被認(rèn)為是小尺度上銀河系引力勢(shì)能的強(qiáng)大探針。因此，開(kāi)展對(duì)寬距雙星間距、質(zhì)量比等物理屬性的統(tǒng)計(jì)分析，可以有效探測(cè)銀河系中暈族大質(zhì)量致密天體（MACHO），并限制MACHO的質(zhì)量、密度等屬性，同時(shí)可以追尋雙星乃至銀河系的形成與演化歷史。
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中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)袁強(qiáng)研究員告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“在天文學(xué)中，MACHO被認(rèn)為是一種重要的暗物質(zhì)候選體”。
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“關(guān)于雙星如何形成的問(wèn)題，目前天文界尚不十分清楚，國(guó)際上主要有兩種可能的形成機(jī)制。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉超說(shuō)。
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密近雙星（上圖）和寬距雙星（下圖）可能的形成機(jī)制。（上圖來(lái)源于美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)NRAO，下圖來(lái)源于阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列ALMA網(wǎng)站）
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“密近雙星可能形成于碎裂的公共星周盤(pán)，在一個(gè)分子云中，通過(guò)自身引力對(duì)周?chē)臍怏w和塵埃的吸積，一顆原恒星逐漸誕生，并在周?chē)纬晌e盤(pán)，隨后在吸積盤(pán)內(nèi)部，又逐步形成第二顆原恒星，隨著時(shí)間的演化，最終形成兩顆相互圍繞的軌道雙星，如圖1（上）左、中、右子圖所示”，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)陳雪飛研究員解釋道。
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“寬距雙星不像密近雙星那樣形成于碎裂的公共星周盤(pán)，而是可能形成于分子云核的湍流碎裂（主要對(duì)間距小于1000 AU的雙星來(lái)講）或分解星團(tuán)成員星的隨機(jī)配對(duì)（主要對(duì)間距大于1000 AU的雙星來(lái)講）。同時(shí)，與密近雙星不同，形成兩顆寬距子星的分子云核具有不同的旋轉(zhuǎn)軸向，致使二者難以形成公共的星周吸積盤(pán)，如下圖1（下）所示，隨著他們與周?chē)镔|(zhì)的摩擦耗散或其他相互作用，使得兩顆子星離的越來(lái)越遠(yuǎn)，最終成為寬距雙星?！碧锖？⊙a(bǔ)充道。
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“目前這兩種模型或多或少都存在無(wú)法解釋一些觀測(cè)現(xiàn)象的問(wèn)題?！眲⒊蛴浾邚?qiáng)調(diào)。
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田?？≌f(shuō)，根據(jù)雙星在銀河系中主要停留的位置，寬距雙星通?？梢詣澐譃槟昀系你y暈和年輕的銀盤(pán)雙星。年老的球狀星團(tuán)大都分布在銀暈中，年輕的疏散星團(tuán)分布在銀盤(pán)上。與銀盤(pán)相比，銀暈中的物質(zhì)分布相對(duì)簡(jiǎn)單，引力擾動(dòng)源比較單一。另外，因?yàn)殂y暈寬距雙星的運(yùn)行速度快，穿行銀盤(pán)的時(shí)間較短，他們受到銀盤(pán)中復(fù)雜物質(zhì)結(jié)構(gòu)（比如分子云、其他恒星等）的擾動(dòng)少，所以科學(xué)家主要使用銀暈寬距雙星來(lái)探測(cè)并回答MACHO是否存在，如果MACHO存在，他們具有什么樣的屬性特征等問(wèn)題。
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此次，田?？〉热税l(fā)現(xiàn)，寬距雙星的間距分布并非像傳統(tǒng)假設(shè)那樣服從一個(gè)單一的冪律譜，而是在大約0.1 pc的間距處，不同星族雙星的間距分布呈現(xiàn)出不同程度的斷裂。具體來(lái)講，在雙星間距小于0.1 pc時(shí)，不同星族的雙星間距均服從一個(gè)冪指數(shù)為-1.5的冪律譜，但當(dāng)間距大于0.1 pc時(shí)，年老的暈雙星比年輕的盤(pán)雙星更容易被破壞掉，觀測(cè)數(shù)據(jù)中為什么出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，規(guī)律背后蘊(yùn)藏著什么奧秘，是科學(xué)家們需要重點(diǎn)回答的問(wèn)題。
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改變國(guó)際上雙星間距分布觀念
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田海俊說(shuō)，雙星間距的冪律分布發(fā)生斷裂，國(guó)際上一般猜測(cè)是由于外界物體（比如MACHO）的引力擾動(dòng)所致。如果是這樣，根據(jù)寬距雙星間距分布上的斷裂位置，可以有效限制具有什么屬性（質(zhì)量和密度等）的MACHO能夠?qū)е逻@樣的斷裂。
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要破壞間距為0.1 pc的雙星，根據(jù)太陽(yáng)鄰域的暗物質(zhì)密度可以粗略估算出至少需要10 M⊙的MACHO分布在銀暈中，也就是說(shuō)銀暈中可能存在大量的10倍以上太陽(yáng)質(zhì)量的致密天體（比如黑洞）。
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袁強(qiáng)告訴記者，科學(xué)家曾猜測(cè)銀河系中分布有大量的原初黑洞，這些原初黑洞可以提供解釋銀河系旋轉(zhuǎn)曲線所需的額外引力，即暗物質(zhì)。2015年激光干涉儀引力波天文臺(tái)探測(cè)到質(zhì)量約30 M⊙的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，這類(lèi)大質(zhì)量黑洞的形成機(jī)制尚不明確，有人認(rèn)為它們可能是宇宙大爆炸極早期產(chǎn)生的原初黑洞，并且可以解釋宇宙中廣泛存在的暗物質(zhì)。田?？〉热说陌l(fā)現(xiàn)可能為這一理論提供了間接支持。
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“然而，大于10倍太陽(yáng)質(zhì)量的MACHO與其他一些觀測(cè)結(jié)果存在沖突。不過(guò)，國(guó)際上對(duì)MACHO的其他觀測(cè)結(jié)果大都存在一些質(zhì)疑”，田海俊補(bǔ)充道。
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“關(guān)于該問(wèn)題，我們提出了另外一種全新的解釋?！碧锖？≌f(shuō)，“寬距雙星在誕生之初，雙星所在星團(tuán)的屬性（比如速度彌散、星團(tuán)大小等）存在差異，導(dǎo)致不同星族的寬距雙星可能在形成之初的固有間距分布上已經(jīng)出現(xiàn)有不同程度的斷裂特征，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，這些固有的屬性依然存在?！?/div>
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田?？〉热藦膶捑嚯p星在誕生之初的星團(tuán)出發(fā)構(gòu)建了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的模型，該模型可以清晰地解釋為什么在1000～10000 AU的間距范圍內(nèi)，不同星族的雙星間距都滿足一個(gè)冪指數(shù)為-1.5的單一冪律譜。
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“然而目前這個(gè)模型僅可以定性分析并粗略地回答為什么不同星族的雙星在極寬間距上會(huì)發(fā)生單一冪律譜斷裂的問(wèn)題?！碧锖？≌f(shuō)。
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劉超認(rèn)為，以往研究很少對(duì)寬距雙星有系統(tǒng)的大樣本觀測(cè)。田海俊等人發(fā)現(xiàn)的間距分布斷裂是一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，很有可能和暗物質(zhì)有關(guān)，當(dāng)然還需要分析其他的可能機(jī)制，只有排除了其他可能性，才能真正說(shuō)他們發(fā)現(xiàn)了MACHO類(lèi)型的暗物質(zhì)。
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什么導(dǎo)致了“雙胞胎”星的異常？
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在另一項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)，寬距雙星樣本中“雙胞胎”星（即成員星具有高度相似的質(zhì)量和亮度, 如圖2所示）的比例異常地高，該異常甚至在超過(guò)10000 AU的間距上依然存在。
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“這種觀測(cè)現(xiàn)象對(duì)傳統(tǒng)寬距雙星的形成及物質(zhì)交換機(jī)制帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！碧锖？≌f(shuō)。
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在寬距雙星的主流模型中，成員星之間可能未曾發(fā)生過(guò)物質(zhì)交換。
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“這樣異常高的雙胞胎星，很難從現(xiàn)有模型中給出這樣的特征?！?劉超告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
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田?？≌f(shuō)，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)其他成員一致認(rèn)為，在如此遠(yuǎn)的間距上，“同胞”雙星的比例很高，應(yīng)該是一種“愚蠢的”選擇效應(yīng)。
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“我把‘同胞’雙星的樣本挑選出來(lái)，逐個(gè)查看了這些雙星實(shí)拍的照片?！碧锖？≌f(shuō)，“發(fā)現(xiàn)大部分雙星的角間距都比較大，相互之間沒(méi)有什么交叉污染?！?/div>
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影響雙星選擇效應(yīng)的主要因素，田?？》治龅?，首先是成員星之間的亮度差異，差異越大成員子星越難同時(shí)被觀測(cè)；再者是成員星之間的角間距，間距越小成員子星越難清晰區(qū)分。樣本中的“同胞”雙星在這兩個(gè)方面都沒(méi)有什么特殊性，真實(shí)照片中“同胞”雙星的每個(gè)子星大都清晰可見(jiàn)，因此，田?？喽?，我們挑選的樣本不應(yīng)該存在什么特殊的選擇效應(yīng)。
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研究團(tuán)隊(duì)于是對(duì)“雙胞胎”星的形成與演化機(jī)制進(jìn)行了詳盡的分析，他們認(rèn)為寬距“雙胞胎”星形成之初的間距應(yīng)該小于100 AU，但在隨后的演化環(huán)境中，相互環(huán)繞的成員星不斷與星周物質(zhì)發(fā)生動(dòng)力學(xué)相互作用，如動(dòng)力學(xué)摩擦、徑向遷移等效應(yīng)，導(dǎo)致雙星系統(tǒng)的動(dòng)能逐步損耗，于是成員星就會(huì)逐漸遠(yuǎn)去。
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“這一觀測(cè)的結(jié)果會(huì)推動(dòng)雙星演化理論進(jìn)一步的發(fā)展”劉超說(shuō)。
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相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/mnras/stz2480
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https://doi.org/10.12149/101010
聽(tīng)說(shuō)，打賞我的人最后都找到了真愛(ài)。
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