科学家发现理论预言的最短轨道周期热亚矮星双星引力波源
近日，清华大学物理系王晓锋教授课题组与合作者利用清华大学-马化腾巡天望远镜（TMTS）发现了一颗距离地球约2760光年、质量约为太阳0.33倍的热亚矮星双星系统（即TMTS J0526）。这颗热亚矮星正以20.5分钟的周期快速绕转一颗质量约为0.74倍太阳质量的碳氧白矮星，并在毫赫兹频段产生强烈的引力波辐射。该引力波信号有望被计划建设的空间引力波天文台如LISA、天琴以及太极等显著探测到。需要特别指出的是，该双星系统的性质逼近了通过两次共有包层抛射演化形成低质量、短轨道周期热亚矮星双星的理论极限值，很好地验证了该演化通道。TMTS J0526热亚矮星的半径约为地球7倍大小，代表了人类目前发现的体积最小的恒星。
相关研究论文以“20.5分钟分离双星中七倍地球半径的氦燃烧星”为题于2月9日在线发表于《自然·天文学》。王晓锋为本文通讯作者，清华大学原博士后林杰（现任中国科学技术大学特任副研究员）为本文第一作者，清华大学原博士后吴程远（现任中国科学院云南天文台副研究员）与澳大利亚国立大学博士研究生熊赫然为共同第一作者。
图为北京天文馆艺术家喻京川绘制的TMTS J0526双星系统，较大的为热亚矮星，远处较小的为其白矮星伴星。清华大学物理系王晓锋教授课题组供图
基于对热亚矮星形成通道的详细星族合成研究，中国科学院云南天文台韩占文院士团队曾预测，通过两次共有包层抛射通道会形成质量低至0.32—0.36倍太阳质量的热亚矮星。这些低质量的热亚矮星通过点燃非简并氦核形成，它们与被广泛认知的通过氦闪点燃简并氦核形成的热亚矮星 (约0.45倍太阳质量) 具有截然不同的质量分布。在经历第二次共有包层的物质抛射后，这些包含一颗白矮星的热亚矮星双星系统，通过引力波辐射可演化形成轨道周期短至20分钟的极短周期双星系统。但在此次TMTS巡天观测发现之前，国际上并未观测到完全符合上述观测性质的热亚矮星双星系统。
TMTS观测系统是王晓锋教授团队在马化腾基金以及清华大学支持下建成的一架设计独特的多镜筒光学巡天设备。自2020年正式运行以来，该系统以1分钟的观测频率“凝视”北半球的宇宙星空。截至2023年底，TMTS累计获得了超过2700万颗恒星的密集采样光变数据，包含大量高价值的短周期变源，TMTS J0526便是其中光变周期最短的系统之一。
TMTS在2020年12月18日首次捕捉到了该源的光变信息。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马岛的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。其中更大、更亮的子星(即可见星) 在另一颗更加致密白矮星（不可见星）的潮汐引力作用下发生形变。亮度、表面引力、有效温度及质量半径关系等分析结果表明，可见星是一颗低质量热亚矮星。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。
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