近日，中国科学院云南天文台王博研究员等人在毫秒脉冲双星领域取得新进展，解释了长轨道周期毫秒脉冲双星的形成。这一成果“Formation of millisecond pulsars with long orbital periods by accretion-induced collapse of white dwarfs”发表在2022年3月出版的《英国皇家天文学会月刊(MNRAS)》上。

　　毫秒脉冲双星（Millisecond pulsars）通常由一颗脉冲星加上一颗白矮星组成的双星系统。在该系统中，脉冲星的自转周期小于30毫秒（每秒旋转几十次、甚至上百次），表面磁场在10⁸到10⁹高斯之间，被认为起源于低质量X射线双星。毫秒脉冲双星是研究双星演化过程中一些极端物理过程的重要天体，可以用来研究中子星的物态方程，限制中子星的吸积物理，还可以用来探索双星演化过程中公共包层抛射、角动量损失机制等。

　　近年来，观测上发现了越来越多轨道周期在50天到500天的毫秒脉冲双星。但是，这些长轨道周期毫秒脉冲双星的起源仍不清楚。为此，王博等人提出了氧氖白矮星+红巨星模型来解释这类天体的形成。在该模型中，由于双星轨道距离长，伴星在演化到红巨星时才充满洛希瓣，进而向氧氖白矮星转移物质（见图1）。被吸积的物质在氧氖白矮星表面稳定燃烧，当其质量增加到钱德拉塞卡质量极限时，镁和氖的电子俘获导致白矮星内部电子简并压减小，使整个星体塌缩成中子星。随后，红巨星由于自身膨胀继续向中子星转移物质，被吸积的物质通过释放引力能产生X射线辐射。在获得物质及角动量后，中子星自转逐渐加快，达到毫秒量级，而此时红巨伴星由于损失物质形成了一颗氦白矮星，最终产生毫秒脉冲双星。该模型可以解释长轨道周期毫秒脉冲双星的形成（见图2）。

　　由氧氖白矮星塌缩成中子星的过程被称为吸积致塌缩（Accretion-induced collapse）。吸积致塌缩过程是由恒星演化理论在40年前预言的氧氖白矮星的演化结局，将产生中子星系统。吸积致塌缩型超新星可以解释球状星团中毫秒脉冲双星的形成问题。尽管在观测上有大量间接证据支持这类超新星的存在，但由于其非常暗、亮度变化快，到目前为止仍没被观测证认。王博等人的工作进一步间接支持了这类天体的存在。

　　该成果受到了中国科学院西部之光交叉团队-重点实验室合作专项以及国家自然科学基金的支持。

　　论文链接

　　项目组近年来在吸积致塌缩型超新星领域的相关论文：

　　(1)  Wang B., Liu D., The formation of neutron star systems through accretion-induced collapse in white-dwarf binaries, 2020, Res. Astron. Astrophys., 20, 135 (特邀综述)

　　(2)  Wang B., The single-degenerate model for the progenitors of accretion-induced collapse events,2018, MNRAS, 481, pp439–446

　　(3)  Liu D., Wang B., The formation of single neutron-stars from double white-dwarf mergers via accretion-induced collapse, 2020, MNRAS, 494, pp3422-3431

　　(4)  Liu D., Wang B., Chen W., Zuo Z., Han Z., Evolving ONe WD+He star systems to intermediate-mass binary pulsars, 2018, MNRAS, 477, pp384–391

　　(5)  Wu C., Wang B., Accreting CO material onto ONe white dwarfs towards accretion-induced collapse, 2018, Res. Astron. Astrophys., 18, 036

　　(6)  Guo Y., Liu D., Wu C., Wang B., He-shell flashes on the surface of oxygen-neon white dwarfs, 2021, Res. Astron. Astrophys., 21, 034

 

　　　　

　　图1. 氧氖白矮星从红巨星吸积物质示意图（图片来源：https://www.nasa.gov/）。

 

　　图2. 长轨道周期毫秒脉冲双星系统伴星质量与轨道周期平面图，其中误差棒为观测值。