中新網北京2月19日電 (記者 孫自法)中歐合作科學衛星“天關”(又稱“愛因斯坦探針”，EP)最新又收獲一項重要天文發現——其搭載的寬視場X射線望遠鏡(WXT，“萬星瞳”)在銀河系鄰近的小麥哲倫云星系內，捕捉到來自一對罕見天體的短暫且高能量的X射線輻射事件，并利用其搭載的后隨X射線望遠鏡(FXT，“風行天”)進行定向觀測，獲取到該輻射源爆發期間更為詳細的X射線信息。
天關衛星藝術想象圖(CREDIT: ESA/CAS)。中國科學院國家天文臺 供圖中國科學院國家天文臺2月19日向媒體通報說，“天關”衛星這一發現為探索大質量恒星的相互作用與演化開辟新途徑，印證該衛星在捕捉宇宙中轉瞬即逝的新型X射線源方面具有獨特能力。其相關研究成果作為歐洲空間局(ESA，歐空局)首篇基于“天關”衛星數據主導的論文，北京時間2月18日夜間在國際學術期刊《天體物理雜志快報》(ApJL)上線發表。
罕見天體組合“難以捉摸”
這對奇特的天體組合包含一顆質量超過太陽10倍的熾熱大恒星，以及一顆質量與太陽相當的致密白矮星。目前科學界僅發現少數此類系統，而此次是科學家首次能夠全程追蹤這種奇特雙星系統從X射線突然爆發到逐漸消退的全過程。“萬星瞳”探測到該奇特天體的X射線輻射后，為追溯這個編號為EP J0052的新天體的信號來源，科學家隨即調用了“天關”的“風行天”進行定向觀測。“萬星瞳”的發現同時觸發美國兩臺相關X射線望遠鏡對該天體進行觀測；歐空局的XMM-牛頓望遠鏡也在觸發信號18天后實施后續觀測。
“我們在監測X射線暫現源時，偶然發現了小麥哲倫云中的這個新的X射線亮點。我們意識到正在觀察的是某種不尋常的東西，只有‘天關’衛星能夠捕捉到。”西班牙空間科學研究所博士后歷西奧·馬里諾(Alessio Marino)說，這是因為，在目前監測X射線天空的望遠鏡中，“萬星瞳”是唯一一個能夠以足夠的靈敏度看到低能X射線的望遠鏡，從而捕捉到這個新的X射線源。
最初，科學家們認為EP J0052可能是一個常見的X射線雙星系統，由一顆中子星吞噬其大質量恒星伴星的物質組成。然而，進一步的數據分析揭示出一個不同的真相。科學家們通過分析不同波長范圍內的X射線變化，以及爆發物質中存在的氮、氧和氖等元素，最終確認了這對罕見天體的真實身份。
得益于“天關”在天體最初爆發時便成功捕捉到信號，科學家們得以對來自不同儀器的多批次數據進行分析。他們通過研究6天內光在一系列X射線波長上的變化，并識別出爆發物質中存在的元素，例如氮、氧和氖，其分析結果為研究提供了關鍵線索。
“我們很快意識到，這是一個極為罕見和珍貴的發現，是一對非常難以捉摸的天體。”歷西奧·馬里諾解釋說，這對罕見的天體由一顆被稱之為Be星的大質量恒星和一顆被稱為白矮星的恒星“遺骸”組成，Be星的質量是太陽的12倍，而白矮星則是一個緊湊且超高密度的天體，其質量與太陽相當。
這兩顆恒星緊密地相互環繞運行，白矮星憑借其強大的引力場從其伴星那里不斷拉扯物質。隨著越來越多的物質(主要是氫)不斷落在白矮星這個緊湊的天體上，其強大的引力將這些物質不斷壓縮，直至引發一場失控的核爆炸。這一過程產生一道極為明亮的閃光，其波長范圍涵蓋了從可見光到紫外線以及X射線的廣泛區域。
揭開雙星故事“費解謎題”
不過，“天關”衛星最新這一發現也令人費解：Be型大質量恒星通常會迅速耗盡其核燃料儲備，其生命歷程短暫而激烈，大約僅持續2000萬年。而它的伴星通常是類似太陽的恒星的坍縮遺跡，如果單獨存在，其壽命可達數十億年。
由于雙星系統中的恒星通常一起形成，那么為何壽命本應短暫的恒星仍然光芒四射，而壽命本應更長的恒星卻已經死亡了呢？
科學家們為此努力探索以尋求一個合理的解釋。他們認為，這對雙星最初是一對匹配度較高的雙星系統，由兩顆質量較大的恒星組成，其質量分別約為太陽的6倍和8倍。質量更大的恒星更早耗盡了其核燃料并開始膨脹，向其伴星拋射物質。最初，其膨脹的外層氣體被伴星吸引；隨后，其剩余的外層殼層被拋射出去，形成了一個包裹著兩顆恒星的包層。這個包層后來演化為一個盤狀結構，并最終消散。
在這場戲劇性的演化過程結束后，伴星的質量增長至太陽的12倍(也就是Be星)，而另一顆恒星的核心則坍縮為一顆質量略超太陽的白矮星。如今，白矮星開始從Be星的外層吸取并吞噬物質。
“這項研究為我們揭示了恒星演化中一個極為罕見的階段，這是兩顆恒星之間復雜物質交換的結果。”歐空局的研究員兼X射線天文學家阿什利·克瑞姆斯(Ashley Chrimes)評論道，“觀察到一對相互作用的大質量恒星能夠產生如此引人入勝的結果，令人著迷。”
歐空局的XMM-牛頓任務在“天關”首次觀測到EP J0052的18天后對該方向進行后續觀測，但未能再次探測到信號。這表明此次耀發的持續時間相對較短。
此次短暫爆發的持續時間，以及氖和氧的存在，暗示雙星中白矮星的質量相當大，可能比太陽重約20%。其質量接近所謂的錢德拉塞卡極限，一旦超過這一極限，恒星將繼續坍縮，最終可能變成一顆更為致密的中子星，或者作為超新星爆發。
“天關”國際合作意義深遠
“天關”衛星由中國科學院主導，歐空局、德國馬普地外物理研究所和法國航天局以國際合作形式參與衛星研制。此外，“天關”衛星在數據共享和科學管理上，組建一支300多人的國際聯合科學團隊，成員來自10多個國家的300余位科學家，為“天關”的科學成果產出提供極為強大和廣泛的國際力量。
近年來，中國在空間科學領域取得顯著進展，但在國際合作方面仍面臨諸多挑戰。在這樣的國際背景下，“天關”衛星的成功國際合作顯得尤為不易和珍貴。
“天關”衛星捕捉到一個奇特的雙星系統發出的X射線閃，該系統由一顆比太陽大10倍以上的熾熱大恒星和一顆質量與太陽相當的小型白矮星組成(CREDIT:ESA; LICENCE)。中國科學院國家天文臺 供圖“天關”衛星首席科學家、中國科學院國家天文臺袁為民研究員表示，EP J0052新天體的成功探測，也是“天關”衛星成功國際合作的體現。
“Be星與白矮星雙星系統的爆發極為罕見，因為它們最適合用低能X射線進行觀測。‘天關’的問世為我們提供了獨特的機會，讓我們能夠捕捉到這些稍縱即逝的天體源，并檢驗我們對大質量恒星演化的理解。”歐空局“天關”衛星項目科學家埃里克·庫爾克斯(Erik Kuulkers)指出，這一發現充分展示出“天關”衛星變革性的探測能力。
袁為民強調，“天關”衛星的國際合作具有深遠意義：一是顯著提升中國在國際空間科學時域天文領域的影響力和話語權，展現中國在空間科學領域的開放與合作姿態；二是國際合作促進技術和科學的交流與創新，推動中國相關技術的發展；三是通過數據共享和協同觀測，“天關”衛星還為全球天文學研究提供重要的X射線數據支持，有力推動高能時域天文學的觀測與研究發展。(完)