北京天文馆科研人员利用星震学研究新发现的脉动白矮星

北京天文馆科学研究部郭金承助理研究员与楚雄师范学院陈彦辉教授，北京天文馆馆长、清华大学教授王晓锋团队等合作，从清华大学-马化腾巡天望远镜(TMTS)数据中，发现了一颗新的DA型脉动白矮星TMTS J2345。结合后续望远镜的观测数据，他们利用星震学对这颗白矮星的性质进行了深入研究。该研究成果于近期发表在国际知名SCI期刊《英国皇家天文学会月刊》(Monthly Notice of Royal Astronomical Society)上。

TMTS望远镜位于河北兴隆观测站，是由4个40厘米镜筒组成的总共18平方度视场的巡天望远镜。该望远镜成像使用了4个4k*4k像素的CMOS相机，使得数据读出时间小于1秒，可以用来进行连续高速测光。自从2020年开始运行以来，TMTS已经累积超过一千万条不间断的光变曲线，为特殊白矮星的光变研究提供了宝贵的数据来源。

脉动是一种恒星中特殊的现象，大多是由于大气不透明度规律变化造成的星体不断累积压力时大气膨胀，释放压力后大气收缩的重复过程。较为有名的是造父变星和天琴RR变星。脉动白矮星是一种更特殊的脉动变星，是由自身内部非径向脉动造成星体不停收缩和膨胀而导致光度变化的特殊白矮星。非径向表明其某一部分在向外膨胀的同时，其他部分可能在向内收缩，而不是造父变星那样各向同性的整体膨胀或收缩。白矮星的脉动会通过重力波形式在内部传导。类似于地震波一样，脉动也被称为星震。星震学是用类似研究地震一样的手段，利用震动频率来获得恒星内部结构信息的学科。

通过对TMTS中白矮星光变的检查，TMTS J2345被发现为可能的脉动白矮星候选体。通过5个夜晚的后续测光观测以及对光变数据的频谱图分析证认出6个不同的脉动频率(图1)。然后利用基于恒星演化模型MESA的脉动白矮星WDEC软件计算出的高达756万个理论模型，对证认出的6个脉动频率进行星震学模型拟合。

图1 频谱图证认了6个脉动频率

利用计算演化出的海量理论模型，拟合结果获得了精确的白矮星的基本参数以及内部结构信息。结果表明TMTS J2345的有效温度为12110+/-10开尔文，质量为0.760+/-0.005倍太阳质量，核心的碳氧百分比分别为27%和73%。脉动白矮星内部化学元素占比轮廓也获得了精确的刻画(图2)。研究人员利用美国Lick天文台的3米望远镜，同时也对TMTS J2345进行了光谱观测。独立的光谱拟合结果(有效温度11778+/-617开尔文，质量0.84+/-0.20倍太阳质量)也证实了星震学结果的可靠性。

图2 脉动白矮星从中心到外部大气的化学元素所占百分比的轮廓示意图

另外根据TESS对TMTS J2345观测的分析可探测到一个3.39小时的周期。由于白矮星3角秒距离内有一颗M矮星且TESS相隔一年的观测周期信号强度显著下降，因此3.39小时的周期应该是M矮星自转周期。由于白矮星和M矮星投影距离较近，径向距离约有10光年，所以它们可能是被瓦解后的双星系统。研究中还分析了可能的瓦解原因并进一步对白矮星的前身星性质以及双星演化进行了估算和限制。

通过对新的脉动白矮星的发现以及星震学分析，可以对白矮星的基本参数进行精确估计，有利于对其他方式估算的结果进行修正。更重要的是可以了解内部的化学构成，帮助理解白矮星的形成和演化。随着北京天文馆双筒巡天望远镜（R2Pub）的顺利运行，相信会有更多特殊的白矮星被挖掘研究。

本项研究工作获得了国家自然科学基金以及北科院北科学者、创新培育项目的资助。

论文链接：https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/523/1/1591/7176080

文/图  北京天文馆 郭金承