爱因斯坦探针捕获到X射线“奇特双星”

龙虾眼卫星爱因斯坦探针捕获到来自一对极其难以捉摸的天体的X射线闪光。这一发现为探索大质量恒星如何相互作用和演化开辟了新途径，证实了该任务在发现天空中短暂X射线源方面的独特能力。
这对奇特的天体组合由一颗比我们的太阳大10倍以上的炽热大恒星，以及一颗质量与太阳相近的小型致密白矮星组成。到目前为止，仅发现了少数这样的系统。而这是科学家首次能够追踪来自这样一对奇特天体的X射线，从最初的突然爆发到逐渐消失。
2024年5月27日，爱因斯坦探针上的广角X射线望远镜（WXT）发现来自邻近星系小麦哲伦星云（SMC）内的X射线。为揭示这个新天体信标（标记为EP J0052）的起源，科学家将爱因斯坦探针的后续X射线望远镜指向该方向。
WXT的观测还促使美国国家航空航天局（NASA）的雨燕（Swift）和中子星内部成分探测器（NICER）X射线望远镜指向这个新发现的天体。欧洲航天局（ESA）的XMM – 牛顿望远镜在触发18天后也进行了后续观测。
“我们当时在追寻短暂的源，在小麦哲伦星云中偶然发现了这个新的X射线亮点。我们意识到我们看到的是不同寻常的东西，只有爱因斯坦探针能够捕捉到，” 西班牙空间科学研究所（ICE – CSIC）的博士后研究员、今天发表的新研究的主要作者阿莱西奥·马里诺（Alessio Marino）说。
“这是因为，在目前监测X射线天空的望远镜中，WXT是唯一能够以足够灵敏度观测到低能X射线，从而捕捉到这种新源的望远镜。”
最初，科学家认为EP J0052可能是一种已知的在X射线中发光的双星系统。这类双星由一颗中子星吞噬伴星大质量恒星的物质组成。然而，数据中有些迹象表明情况并非如此……
由于爱因斯坦探针从最初的闪光就捕捉到了这个新源，科学家能够分析来自不同仪器的多批数据。他们研究了六天内X射线波长范围内光的变化，并梳理出爆炸物质中存在的一些元素，如氮、氧和氖。该分析提供了关键线索。
“我们很快明白，我们有了一个罕见的发现，即一对极其难以捉摸的天体，” 阿莱西奥解释道。“这一不寻常的组合由一颗我们称为Be星的大质量恒星组成，其质量是太阳的12倍，以及一颗被称为白矮星的恒星‘残骸’，这是一种致密且超高密度的天体，质量与我们的太阳相近。”
这两颗恒星紧密围绕彼此运行，白矮星强大的引力场从其伴星中吸积物质。随着越来越多的物质（主要是氢）降落在这个致密天体上，其强大的引力将物质压缩，直到引发失控的核爆炸。这产生了从可见光到紫外线和X射线等广泛波长的明亮闪光。
乍一看，这对双星的存在令人困惑。Be型大质量恒星迅速消耗其核燃料储备。它们的生命激烈而短暂，约2000万年。其伴星（通常）是类似太阳的恒星坍缩后的残余，若单独存在，寿命可达数十亿年。
由于双星通常是一起形成的，为何本应寿命短暂的恒星仍在闪耀，而本应寿命长的恒星却已死亡？
有一种解释。
科学家认为，这对双星最初一起形成，是一对更为匹配的双星，由两颗比太阳质量大6倍和8倍的较大恒星组成。
较大的恒星更早耗尽核燃料并开始膨胀，将物质抛给其伴星。首先，其膨胀外层的气体被伴星吸积；然后其剩余的外壳被抛出，在两颗恒星周围形成一个包层，后来变成一个盘，最终消散。
这场 “戏剧” 结束时，伴星质量增长到太阳的12倍，而另一颗恒星耗尽的核心坍缩成质量略大于一个太阳质量的白矮星。现在，轮到白矮星从Be星的外层窃取并吞噬物质。
“这项研究让我们对恒星演化中一个罕见观测到的阶段有了新的认识，这是两颗恒星之间必定发生的复杂物质交换的结果，” 欧洲航天局的研究员兼X射线天文学家阿什利·克里姆斯（Ashley Chrimes）评论道。“看到一对相互作用的大质量恒星能产生如此有趣的结果，真是令人着迷。”
欧洲航天局XMM – 牛顿任务在爱因斯坦探针首次观测18天后，对EP J0052方向的后续观测，已不再看到信号。这为耀斑的持续时间设定了一个限制，表明其持续时间相对较短。
短爆发的持续时间以及氖和氧的存在，暗示这是一种相当重的白矮星，质量可能比太阳大20%。其质量接近钱德拉塞卡极限，超过这个极限，恒星将继续坍缩，成为密度更高的中子星，或爆发成为超新星。
“Be – 白矮星双星的爆发极难捕捉，因为它们最好用低能X射线观测。爱因斯坦探针的出现提供了独特的机会来发现这些短暂的源，并检验我们对大质量恒星演化的理解，” 欧洲航天局爱因斯坦探针项目科学家埃里克·库尔克斯（Erik Kuulkers）评论道。
“这一发现展示了该任务改变游戏规则的能力。”
爱因斯坦探针是中国科学院（CAS）与欧洲航天局（ESA）、德国马克斯 – 普朗克外星物理研究所（MPE）以及法国国家航天研究中心（CNES）合作的一项任务。它于2024年1月9日从中国西昌卫星发射中心发射，携带两台仪器。广角X射线望远镜（WXT）持续监测天空的很大一部分区域，以寻找意外的X射线，后续X射线望远镜（FXT）则聚焦于WXT发现的X射线源，进行更详细的观测。