银河系之中，遍布着大小各异、颜色不同的恒星。在这些恒星中，有的像太阳一样“孤独”，有的成双成对相互旋绕，有的系统甚至包含两颗以上的恒星。
在一项最新研究中，天文学家发现了一个罕见的双星系统，这个系统有着极短的轨道周期，它的两颗恒星彼此环绕一周的时长仅为51分钟！研究人员将这一罕见地发现发表在了近期的《自然》杂志上。
在十几亿颗恒星中搜寻
新发现的这个系统被研究团队记为ZTF J1813+4251，它是由兹维基瞬变探测器（ZTF）观测到的。ZTF是一项巡天项目，它用装载在加州帕洛玛天文台望远镜上的相机，对广阔的天空进行高分辨率拍摄。现在，ZTF已为超过10亿颗恒星拍摄了海量照片，并记录了这些恒星在几天、几个月、甚至几年内的亮度变化。
研究人员对海量的恒星数据进行了梳理，他们想要寻找那些具有超短轨道的系统的信号，因为这些系统可能有着非常极端的动力学，应该能发出剧烈的光暴。
研究人员将注意力放在那些反复闪烁、周期小于一小时的恒星上。这样的频率通常表示在这个系统中，至少存在两个天体彼此紧密环绕，且其中一个天体频繁地经过另一个，从而短暂地遮蔽其光芒。
然而，这样的搜寻并非易事，研究人员需要在超过10亿颗恒星中进行筛选。因此，他们使用了一种算法来帮助完成这项任务。算法筛选出了大约100万颗每小时闪烁一次的恒星。接着，从这些信号中，研究人员通过用肉眼判断，来寻找那些特别感兴趣的信号。
最终，他们锁定了ZTF J1813+4251！这是一个位于武仙座的双星系统，距离地球约3000光年之远。
超短轨道的双星系统
研究人员利用夏威夷的凯克天文台和西班牙的加那利大型望远镜，对这个系统进行了进一步研究。
他们捕捉到了ZTF J1813+4251中的两颗恒星的多次相互重叠的场景，这使他们能够精确测量这个系统中的每颗恒星的特性。他们发现，这个系统异常“干净”，换句话说，他们可以清楚地看到每次出现遮挡时的光线变化。
这样的清晰度使得研究人员可以精确地测量每个天体的质量和半径，以及它们的轨道周期。测量结果表明，在这个双星系统中，其中一个天体很可能是一颗白矮星，大小约为太阳的1/100，质量约为太阳的一半；另一个天体则是一颗接近生命末期的类太阳恒星，大小和质量约为太阳的1/10。这两颗恒星看起来每51分钟就会绕对方公转一次。
然而，这听起来似乎不太合理。这是一颗看起来和太阳很像的恒星，但太阳是无法被“塞”进一个小于8小时的轨道周期里的。所以，这个双星系统发生了什么特别的事件吗？
是激变变星！
研究人员很快就找到了一个解释。大约30年前，一些天文学家做出过一个预测，认为一种超短轨道的系统应该能够以激变变星的形式存在。
激变变星是一种较为罕见的双星系统，在这类系统中，一颗像太阳一样的恒星与一颗白矮星紧紧环绕运行。在数十亿年的时间里，两颗恒星互相旋绕慢慢靠近，当靠得足够近时，白矮星强大的引力会开始吸积类太阳恒星身上的物质。在已知的一千多个激变变星中，只有十几个的轨道周期低于75分钟。
像太阳一样的恒星在演化末期耗尽燃料时，其核心会不断坍缩形成致密的白矮星。这幅艺术构想图描绘了一颗白矮星（右）绕着一颗更大的类太阳恒星（左）在超短轨道上旋转，形成了一个“激变”的双星系统。（图/ M.Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）
研究人员推测，ZTF J1813+4251很可能是迄今为止探测到的拥有最短轨道的激变双星。根据测量结果，研究人员对ZTF J1813+4251现在的状况，以及它在未来数亿年间将如何演变进行了模拟。
模拟结果表明：这个双星系统中的两颗恒星目前正处于一个过渡阶段，那颗类太阳恒星正在从一个富含氢的天体过渡到富含氦的天体，它一直在旋转，将其大气中大量的氢气“捐赠”给贪婪的白矮星，它终将会燃烧殆尽，成为一个致密的富含氦的核。再过7000万年，这两颗恒星将会更加靠近，它们的彼此环绕的轨道周期将缩短到18分钟！在这之后，失去质量的类太阳恒星不会收缩，而是膨胀，然后两颗恒星会在接下来的几亿年时间里开始分离。到那时，这两颗恒星的轨道周期将稳定在30分钟左右。
几十年前，天文学家就预测，如果时间足够长，激变变星就会过渡到极短的轨道周期。这种情况只有当贪婪的白矮星将伴星大气中的氢全部吸走，开始吞噬伴星裸露在外的核心中的氦时，才可能发生。
现在，天文学家终于首次直接观测到这样一个过渡系统。这不仅证实了天文学家几十年前的预测，而且还帮助回答了关于激变变星的轨道极限的开放性问题，有助于科学家在未来几年对激变变星做出进一步研究。
参考来源：
https://news.mit.edu/2022/cataclysmic-pair-stars-astronomy-1005
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05195-x
https://www.livescience.com/cataclysmic-variable-shortest-orbital-period
封面图/首图：M.Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
