热亚矮星是一类在赫罗图上位于主序与白矮星之间的一族恒星。前人对热亚矮星形成通道及星族合成的研究表明，第二次共有包层抛射通道会形成白矮星-热亚矮星双星系统，且其中的热亚矮星质量可以低至0.32-0.36倍太阳质量。在引力波辐射作用下，这类双星系统在随后的演化中可以形成轨道周期短至20分钟的极端周期分离的双星系统。然而，如此短周期的白矮星-热亚矮星双星系统尚未被观测所证实。

近日，清华大学物理系王晓锋教授领导的包括云南天文台、中科大在内的多个团队，利用清华大学-马化腾巡天望远镜(TMTS) 发现了一颗距离地球2761光年、轨道周期仅为20.5分钟的致密双星系统 (即TMTS J0526)，并解密了其物理起源。该双星系统由一颗质量为0.74倍太阳质量的碳氧白矮星与一颗直径仅有7倍地球大小、质量约为太阳0.33倍的热亚矮星组成。这样一对极短轨道周期的双星能够在毫赫兹频段产生强的引力波辐射，有望被未来的空间引力波天文台如LISA、天琴以及太极显著探测到。值得强调的是，该双星系统的发现首次验证了通过第二次共有包层抛射演化形成低质量热亚矮星的理论通道（由中国科学院云南天文台韩占文院士团队于2003年提出）。

图1 艺术家绘制的TMTS J0526双星系统（北京天文馆 喻京川）。

该源被发现之后，团队利用位于美国夏威夷的10米口径Keck望远镜和位于西班牙拉帕尔玛岛的10.4米口径GTC望远镜对该源进行了高时间分辨的连续光谱观测，并且使用丽江2.4米望远镜进行时序测光观测。结合高频采样观测得到的光变曲线以及光谱视向速度变化，研究团队分析得出TMTS J0526是一颗轨道周期仅有20.5分钟的椭变双星，其中的可见星在另一颗致密不可见星的潮汐引力作用下发生椭变 (参考图1)。 通过分析亮度、表面引力、有效温度及质量半径关系，揭示了可见星是一颗低质量、薄包层的热亚矮星 (如图2)。该双星系统包含的低质量热亚矮星、白矮星伴星以及极短的轨道周期均与第二次共有包层抛射通道形成低质量热亚矮星双星的理论预言相符合。

图2 不同类型恒星的质量-半径关系图。主序星、白矮星与热亚矮星分布在该图中三个可区分的区域。紫色区域代表热亚矮星可能分布的区域，而TMTS J0526双星系统的可见子星恰好落在该区域的最底端。该可见子星比过去发现的最小尺寸恒星 (2MASS-J0523) 还要小，代表了迄今发现的最小尺度非简并星。

上述研究成果以“20.5分钟分离双星中七倍地球半径的氦燃烧星”A seven-Earth-radius helium-burning star inside a 20.5-min detached binary 为题于2024年2月9日在线发表于《自然•天文学》Nature Astronomy。

王晓锋教授为本文通讯作者，中国科学技术大学特任副研究员林杰为本文第一作者，中国科学院云南天文台副研究员吴程远与澳大利亚国立大学博士研究生熊赫然为共同第一作者。本项目得到国家自然科学基金基础科学中心项目、重点项目、马化腾基金、中国载人航天工程、北科院北科学者项目以及科学探索奖等的资助。

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