“三体”是灾难?快来了解宇宙中的“两体”

四年前,我国闻名科普作家刘慈欣凭仗其科幻小说《三体》取得“雨果”奖,在国内掀起了一场不小的科普热。小说中的“三体”是三颗彼此盘绕的“太阳”,因为运动的无规则性及彼此之间杂乱的引力扰动,致使日子在那里的“三体文明”经受了百余次消灭与重生,终究强逼他们计划逃离这种无常的“三体”母星。

研讨标明,世界中超越一半的恒星都是以双星或多体体系存在。咱们要叙述的“两体”便是世界中普遍存在的双星体系,相对“三体”,它们要简略许多。假如双星之间间隔超越了100 AU (地理学将一倍日地距离界说为1个地理单位,即1 AU),咱们一般称这类双星为宽距双星,反之,称为密近双星。

假如“三体”像科幻小说中叙述那样会给文明带来灾祸,让人难以揣摩,那么你有没有思考过看似简略的“两体”?它们能为人类提醒什么重要的世界隐秘?

“两体”也不简略

由三峡大学地理与空间科学研讨中心、加州大学伯克利分校、马克斯普朗克地理研讨所等多个单位组成的研讨团队运用欧空局盖亚卫星的巡天数据对太阳邻域的宽距双星展开了体系研讨。近来,该团队完成了两项新的研讨效果。其间一项发现,宽距双星的距离散布并非像传统假定那样遵守一个单一的幂律谱,而是在大约0.1 pc(秒距离,1 pc 大约为3.26光年)的距离处,不同星族的双星其距离散布发作了不同程度的开裂,该开裂特征蕴藏着重要的物理机制,这项效果被世界威望地理期刊《天体物理期刊增刊》正式承受,行将正式出书;另一项研讨发现,宽距双星样本中“双胞胎”星的份额反常地高,甚至在超越1万AU的距离上,该反常仍然存在,该效果已正式宣布在英国《皇家地理学会月报》上。

论文的首要作者之一、三峡大学田海俊博士告知《我国科学报》,宽距双星是最简略、最小、最软弱的天体体系之一。因为成员星离的较远,宽距双星的轨迹非常软弱,极易遭到外界引力或内部成员星演化所扰动甚至损坏,它们被以为是小尺度上银河系引力势能的强壮探针。因而,展开对宽距双星距离、质量比等物理特点的统计剖析,能够有用勘探银河系中晕族大质量细密天体(MACHO),并约束MACHO的质量、密度等特点,一起能够寻找双星甚至银河系的构成与演化前史。

我国科学院紫金山地理台袁强研讨员告知《我国科学报》:“在地理学中,MACHO被以为是一种重要的暗物质候选体”。

“关于双星怎么构成的问题,现在地理界尚不非常清楚,世界上首要有两种或许的构成机制。”我国科学院国家地理台研讨员刘超说。

密近双星(上图)和宽距双星(下图)或许的构成机制。(上图来源于美国国家射电地理台NRAO,下图来源于阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列ALMA网站)

“密近双星或许构成于碎裂的公共星周盘,在一个分子云中,通过本身引力对周围的气体和尘土的吸积,一颗原恒星逐步诞生,并在周围构成吸积盘,随后在吸积盘内部,又逐步构成第二颗原恒星,跟着时刻的演化,终究构成两颗彼此盘绕的轨迹双星,如图1(上)左、中、右子图所示”,我国科学院云南地理台陈雪飞研讨员解说道。

“宽距双星不像密近双星那样构成于碎裂的公共星周盘,而是或许构成于分子云核的湍流碎裂(首要对距离小于1000 AU的双星来讲)或分化星团成员星的随机配对(首要对距离大于1000 AU的双星来讲)。一起,与密近双星不同,构成两颗宽距子星的分子云核具有不同的旋转轴向,致使二者难以构成公共的星周吸积盘,如下图1(下)所示,跟着他们与周围物质的抵触耗散或其他彼此作用,使得两颗子星离的越来越远,终究成为宽距双星。”田海俊弥补道。

“现在这两种模型或多或少都存在无法解说一些观测现象的问题。”刘超向记者着重。

田海俊说,依据双星在银河系中首要逗留的方位,宽距双星一般能够划分为年迈的银晕和年青的银盘双星。年迈的球状星团大都散布在银晕中,年青的分散星团散布在银盘上。与银盘比较,银晕中的物质散布相对简略,引力扰动源比较单一。别的,因为银晕宽距双星的运转速度快,穿行银盘的时刻较短,他们遭到银盘中杂乱物质结构(比方分子云、其他恒星等)的扰动少,所以科学家首要运用银晕宽距双星来勘探并答复MACHO是否存在,假如MACHO存在,他们具有什么样的特点特征等问题。

此次,田海俊等人发现,宽距双星的距离散布并非像传统假定那样遵守一个单一的幂律谱,而是在大约0.1 pc的距离处,不同星族双星的距离散布呈现出不同程度的开裂。详细来讲,在双星距离小于0.1 pc时,不同星族的双星距离均遵守一个幂指数为-1.5的幂律谱,但当距离大于0.1 pc时,年迈的晕双星比年青的盘双星更简单被损坏掉,观测数据中为什么呈现这样的现象,规则背面蕴藏着什么奥妙,是科学家们需求要点答复的问题。

改动世界上双星距离散布观念

田海俊说,双星距离的幂律散布发作开裂,世界上一般猜想是因为外界物体(比方MACHO)的引力扰动所造成的。假如是这样,依据宽距双星距离散布上的开裂方位,能够有用约束具有什么特点(质量和密度等)的MACHO能够导致这样的开裂。

要损坏距离为0.1 pc的双星,依据太阳邻域的暗物质密度能够大略估算出至少需求10 M⊙的MACHO散布在银晕中,也便是说银晕中或许存在很多的10倍以上太阳质量的细密天体(比方黑洞)。

袁强告知记者,科学家曾猜想银河系中散布有很多的原初黑洞,这些原初黑洞能够供给解说银河系旋转曲线所需的额定引力,即暗物质。2015年激光干涉仪引力波地理台勘探到质量约30 M⊙的双黑洞并合发作的引力波,这类大质量黑洞的构成机制尚不明晰,有人以为它们或许是世界大爆炸极前期发作的原初黑洞,而且能够解说世界中广泛存在的暗物质。田海俊等人的发现或许为这一理论供给了直接支撑。

“但是,大于10倍太阳质量的MACHO与其他一些观测成果存在抵触。不过,世界上对MACHO的其他观测成果大都存在一些质疑”,田海俊弥补道。

“关于该问题,咱们提出了别的一种全新的解说。”田海俊说,“宽距双星在诞生之初,双星地点星团的特点(比方速度弥散、星团巨细等)存在差异,导致不同星族的宽距双星或许在构成之初的固有距离散布上现已呈现有不同程度的开裂特征,通过长时间演化,这些固有的特点仍然存在。”

田海俊等人从宽距双星在诞生之初的星团动身构建了一个比较简略的模型,该模型能够明晰地解说为什么在1000~10000 AU的距离范围内,不同星族的双星距离都满意一个幂指数为-1.5的单一幂律谱。

“但是现在这个模型仅能够定性剖析并大略地答复为什么不同星族的双星在极宽距离上会发作单一幂律谱开裂的问题。”田海俊说。

刘超以为,以往研讨很少对宽距双星有体系的大样本观测。田海俊等人发现的距离散布开裂是一个很有意思的现象,很有或许和暗物质有关,当然还需求剖析其他的或许机制,只要排除了其他或许性,才干实在说他们发现了MACHO类型的暗物质。

什么导致了“双胞胎”星的反常?

在另一项工作中,研讨团队又发现,宽距双星样本中“双胞胎”星(即成员星具有高度类似的质量和亮度, 如图2所示)的份额反常地高,该反常甚至在超越10000 AU的距离上仍然存在。

“这种观测现象对传统宽距双星的构成及物质交流机制带来了严峻的应战。”田海俊说。

在宽距双星的干流模型中,成员星之间或许未曾发作过物质交流。

“这样反常高的双胞胎星,很难从现有模型中给出这样的特征。” 刘超告知《我国科学报》。

田海俊说,其时团队其他成员共同以为,在如此远的距离上,“同胞”双星的份额很高,应该是一种“愚笨的”挑选效应。

“我把‘同胞’双星的样本挑选出来,逐一查看了这些双星实拍的相片。”田海俊说,“发现大部分双星的角距离都比较大,彼此之间没有什么穿插污染。”

影响双星挑选效应的首要因素,田海俊剖析道,首先是成员星之间的亮度差异,差异越大成员子星越难一起被观测;再者是成员星之间的角距离,距离越小成员子星越难明晰区别。样本中的“同胞”双星在这两个方面都没有什么特别性,实在相片中“同胞”双星的每个子星大都明晰可见,因而,田海俊判定,咱们挑选的样本不应该存在什么特别的挑选效应。

研讨团队所以对“双胞胎”星的构成与演化机制进行了翔实的剖析,他们以为宽距“双胞胎”星构成之初的距离应该小于100 AU,但在随后的演化环境中,彼此盘绕的成员星不断与星周物质发作动力学彼此作用,如动力学抵触、径向搬迁等效应,导致双星体系的动能逐步损耗,所以成员星就会逐步远去。

“这一观测的成果会推进双星演化理论进一步的开展”刘超说。(池涵)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/mnras/stz2480

https://doi.org/10.12149/101010