美国宇航局的费米探测器探测到来自“蜘蛛”星系的第一次伽玛射线日食 焦点短讯
科学家利用美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜的数据，首次发现了来自一种特殊类型双星系统的伽玛射线日食。这些所谓的蜘蛛系统都包含一颗脉冲星——一颗超新星爆炸后恒星的超密度、快速旋转的残骸——它会慢慢侵蚀它的伴星。
(资料图片仅供参考)
一个国际科学家团队通过费米望远镜的十多年观测，找到了七只经历日食的蜘蛛，从我们的角度来看，当低质量伴星经过脉冲星前时，就会发生日食。这些数据使他们能够计算出系统相对于我们视线和其他信息的倾斜程度。“研究蜘蛛最重要的目标之一是试图测量脉冲星的质量，”德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所的天体物理学家科林·克拉克(Colin Clark)说，他领导了这项工作。“脉冲星基本上是我们可以测量的密度最大的物质球。它们能达到的最大质量限制了这些极端环境中的物理，这在地球上是无法复制的。”
有关这项研究的论文发表在1月26日的《自然天文学》杂志上:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01874-x
蜘蛛系统的形成是因为双星中的一颗恒星比另一颗恒星演化得更快。当质量更大的恒星变成超新星时，就会留下脉冲星。这颗恒星残骸发射出包括伽马射线在内的多波长光束，这些光束在我们的视野中进进出出，产生的脉冲如此规律，以至于可以与原子钟的精度相媲美。
在早期，蜘蛛脉冲星通过吸走一股气体流来“喂养”它的同伴。随着系统的发展，当脉冲星开始更快地旋转时，供给停止，产生粒子流出和辐射，使伴星的面过热并侵蚀它。
科学家将蜘蛛系统分为两种类型，这两种类型的蜘蛛的雌性有时会吃掉它们的小伴侣。黑寡妇星云的伴星质量不到太阳的5%。红背星系拥有更大的伴星，无论是大小还是质量，都在太阳的10%到50%之间。
“在费米之前，我们只知道少量发射伽马射线的脉冲星，”美国宇航局马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白·海斯说。“经过十多年的观察，该任务已经确定了300多个，并收集了一个长而几乎不间断的数据集，使社区能够进行开创性的科学研究。”
研究人员可以通过测量它们的轨道运动来计算蜘蛛系统的质量。可见光观测可以测量伴星的速度，而无线电测量可以揭示脉冲星的速度。然而，这些依赖于朝向和远离我们的运动。对于一个几乎面对面的系统来说，这样的变化是轻微的，而且可能会令人困惑。从侧面看，一个更小、轨道更慢的系统也可以产生同样的信号。了解星系相对于我们视线的倾斜对测量质量至关重要。
倾斜的角度通常是用可见光来测量的，但这些测量有一些潜在的并发症。当伴星围绕脉冲星运行时，其过热的一面在视野中进进出出，造成可见光的波动，这取决于倾斜程度。然而，天文学家仍在研究过热过程，不同加热模式的模型有时会预测不同的脉冲星质量。
然而，伽马射线只由脉冲星产生，能量巨大，它们沿直线传播，不受碎片的影响，除非被伴星阻挡。如果伽马射线从蜘蛛系统的数据集中消失，科学家可以推断伴星遮蔽了脉冲星。从那里，他们可以计算出系统进入我们视线的倾角、恒星的速度和脉冲星的质量。
PSR B1957+20，简称B1957，是1988年发现的第一个已知的黑寡妇。该系统的早期模型是根据可见光观测建立的，确定它向我们的视线倾斜约65度，脉冲星的质量是太阳的2.4倍。这将使B1957成为已知最重的脉冲星，跨越了脉冲星和黑洞之间的理论质量极限。
通过研究费米望远镜的数据，克拉克和他的团队发现了15个丢失的伽玛射线光子。来自这些物体的伽马射线脉冲的时间是如此可靠，以至于10年内丢失15个光子足以让研究小组确定该系统正在日食。然后他们计算出双星倾斜84度，脉冲星的重量只有太阳的1.8倍。
华盛顿美国海军研究实验室的物理学家Matthew Kerr是这篇新论文的合著者，他说:“人们一直在寻找大质量脉冲星，而这些蜘蛛系统被认为是找到它们的最佳方法之一。”“它们经历了一个非常极端的从伴星到脉冲星的质量传递过程。一旦我们真的对这些模型进行微调，我们就能确定这些蜘蛛系统是否比其他脉冲星群更大。”
费米伽玛射线空间望远镜是由戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作项目。费米是与美国能源部合作开发的，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。
横幅:在这幅插图中，美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜环绕地球运行。
学分:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯(USRA)
美国宇航局费米伽马射线太空望远镜:https://nasa.gov/fermi
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