“黑寡婦”脈沖星研究新進展：宇宙中的燈塔？還是嗜血的殺手？

你可能知道電影中美艷、冷酷的“黑寡婦”，也或許了解生活在叢林中，聞名世界的劇毒蜘蛛之一的“黑寡婦”?？赡阒涝谖覀冾^頂?shù)男强罩弦灿小昂诠褘D”的存在嗎？它們不是星座，也不是什么外星怪獸，而是天文學(xué)家在宇宙中發(fā)現(xiàn)的一類特殊的天體。

1988年，F(xiàn)ruchter和他的同事們利用著名的阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一顆詭異的毫秒脈沖星PSR B1957+20，它從兩極噴出的輻射和高能粒子風(fēng)正在加熱并蒸發(fā)著它的伴星，不斷把伴星的物質(zhì)從其表面剝離出去，使它們的質(zhì)量逐漸降低。充滿想象力的天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個行為就好像黑寡婦蜘蛛在肢解與它們交尾后的伴侶，便以“黑寡婦”來為這種脈沖星命名。

黑寡婦脈沖星示意圖

（圖片來源：NASA）

“黑寡婦”脈沖星究竟有多“黑”呢？以PSR J1719-1438為例，它的伴星質(zhì)量僅僅是太陽質(zhì)量的千分之一，和太陽系中的木星相當(dāng)。這表明這只“黑寡婦”把它的伴星從一顆恒星硬生生地吹成了一顆行星，直接下降了一個級別！

是誰創(chuàng)造了這么兇殘、嗜血的“黑寡婦”呢？下面就來翻看恒星的族譜，找一找它的歷史。

這里補充一句，宇宙中還有黑寡婦蜘蛛脈沖星的表親——紅背蜘蛛脈沖星（red back pulsars）。紅背蜘蛛也是一種帶有劇毒的蜘蛛。這兩類脈沖星的軌道周期都在1天以內(nèi)，其差別在于伴星的質(zhì)量。黑寡婦脈沖星的伴星有著小于百分之五倍太陽的質(zhì)量，而紅背脈沖星的伴星則有著十分之一到一倍太陽的質(zhì)量。

生于孰地？

我們知道，如果一顆恒星有著超過10倍于太陽的質(zhì)量，那么就會在演化的最后階段經(jīng)歷超新星爆炸，形成一顆半徑為15公里，且有著超強磁場的中子星。一般來說，此時的恒星即將走完它絢麗的一生，因為它再也沒有核燃料來供自身散發(fā)光芒了。等待它的是逐漸在宇宙中歸于寂滅。

超新星示意圖

（圖片來源：NASA）

然而，處于雙星系統(tǒng)中的中子星很懂得“拿來主義”，能夠逆天改命。它依靠強大的引力將其伴星身上的物質(zhì)剝奪過來，為自身增加質(zhì)量（稱為吸積過程）。在剝奪來的物質(zhì)落向中子星表面時，會輻射出X射線。這樣，中子星便會重新煥發(fā)新生，以X射線源的面貌在宇宙中繼續(xù)著它的舞臺。在此期間，中子星通過吸積伴星物質(zhì)獲得角動量，來提高自身的轉(zhuǎn)速，最終成為自轉(zhuǎn)周期僅為幾毫秒的毫秒脈沖星。在脈沖星高速自轉(zhuǎn)和強磁場的共同作用下，表面的帶電粒子會被加速，并產(chǎn)生電磁輻射和高能粒子風(fēng)。如果它的伴星運氣不佳，不幸被這些輻射掃過，那么就會形成黑寡婦雙星系統(tǒng)。

這里也再補充下，脈沖星是一類快速自轉(zhuǎn)的中子星。當(dāng)脈沖星的輻射束掃過地球時，我們就可以利用望遠鏡記錄下這顆脈沖星的脈沖信號。由于脈沖星的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，脈沖信號會有著類似于人類“脈搏”的周期，時明時滅，像為處于黑夜之中的人們指明方向的燈塔，因此脈沖星也有著“宇宙燈塔”之稱。

脈沖星示意圖

（圖片來源：https://outreach.atnf.csiro.au/）

歸去何方？

那么，黑寡婦脈沖星的伴星受到脈沖輻射的長期蒸發(fā)后，會不會完全消失掉，使這個雙星系統(tǒng)只留下一顆孤立的毫秒脈沖星呢？很有可能！事實上，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾百顆孤立的毫秒脈沖星，約占毫秒脈沖星總數(shù)的三分之一。
以往的研究表明黑寡婦脈沖星需要相當(dāng)長的時間才能將其伴星完全摧毀掉，這個時間甚至超過了宇宙的年齡。如此看來，傳統(tǒng)的黑寡婦模型似乎不能形成孤立的毫秒脈沖星。

最近，云南天文臺的研究人員利用脈沖星蒸發(fā)氦星的模型構(gòu)建了一類黑寡婦脈沖星系統(tǒng)。他們的計算結(jié)果表明伴星能夠在較短的時間內(nèi)降低到一個極低的質(zhì)量，即千分之一倍甚至十萬分之一倍的太陽質(zhì)量。這個時候，黑寡婦的伴星會被脈沖星的引力撕碎。而黑寡婦脈沖星最后會落個孤家寡人的下場，成為一顆孤立毫秒脈沖星。然而，是否所有的黑寡婦脈沖星都會將它們的伴星完全摧毀掉？這個問題有待進一步的研究。

結(jié)語

這就是黑寡婦脈沖星，它的伴侶在它的摧殘下漸漸虛弱，甚至于消失在這個世界中。而在遙遠的我們看來，它卻是在黑暗宇宙中的燈塔。如果未來的人類計劃搬離地球，尋找新的宜居帶，那一定要與這些“燈塔”保持相當(dāng)?shù)木嚯x，因為它們施行的是“遠交近攻”的策略。倘若離得近了，會發(fā)現(xiàn)這些“燈塔”原來是黑寡婦蜘蛛扮演的，要撕碎一切“枕邊人”。

中國天眼

（圖片來源：中國政府網(wǎng)）

自2016年以來，位于我國貴州的中國天眼FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了660余顆脈沖星，成績卓著，其中不乏一些黑寡婦脈沖星?；蛟S我們也應(yīng)該像FAST大鍋那樣，不時地抬頭望望天，說不定會發(fā)現(xiàn)什么新的“物種”！

參考文獻：

[1] Bhattacharyya S., Papitto A., Bhattacharya D., 2022, ASSL, 465, 319

[2] Guo Y., Wang B., Han Z., 2022, MNRAS, 515, 2725

出品：科普中國

作者：郭云浪（中國科學(xué)院云南天文臺）

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