北京天文馆科研人员利用TESS数据研究脉动白矮星星震

近日，北京天文馆科学研究部郭金承副研究员与楚雄师范学院陈彦辉教授团队，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DA型脉动白矮星TMTS J1718。结合后随望远镜SNOVA尤其是TESS的优质观测数据，他们利用星震学对这颗特殊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。

TESS—凌日系外行星勘测太空望远镜是NASA使用SpaceX猎鹰9号火箭于2018年发射的系外行星搜寻卫星望远镜。初期目标是在为期两年的太空飞行任务中，对大约20万颗比较亮的恒星进行观测，最终希望能够发现数千颗新的系外行星。作为开普勒(Kepler)望远镜的继任者，TESS的口径没有开普勒望远镜大。TESS由4个10厘米口径的望远镜构成，而开普勒则是一米口径的望远镜，因此TESS的目标星都很亮(集中在10等左右)。TESS对一个天区会连续观测近一个月，而Kepler对同一个开普勒天区持续观测超过了三年。所以TESS连续观测的时间也没有开普勒长，但是其优势在于视场范围更广，并且是对全天进行巡天。因而在其寻找系外行星的主要目标之外，TESS也获得了很多变星宝贵的近一个月时长的连续光变数据。

连续长时间的光变数据对于脉动白矮星的研究非常重要，因为白矮星的脉动周期较其他脉动变星的周期短，典型周期仅为几分钟。因此，TESS近一个月的连续时长可以覆盖非常多的脉动周期。对比地面的望远镜，更有利于探测到脉动白矮星丰富的脉动频率，也不会由于白天或者天气原因间断观测导致引入更多的假周期信号。从而可以更精确的利用星震学深入研究白矮星的性质。

通过对TMTS中白矮星光变的检查，TMTS J1718被发现为脉动白矮星候选体。通过查找文献发现，这个源在2021年被ZTF巡天数据所发现，通过ZTF和后续短时长的观测发现了它的3个不同频率的周期信号。但是由于没有后续的高质量长光变数据，并没有详细的星震学分析。而TMTS J1718正好在2022年5月至6月被TESS观测过，因此就具备了深入研究的坚实基础。通过对TESS光变数据的细致分析，科研人员证认出了13个频率，其中3个为组合频率(图1)。剩余10个频率中，有两个为三分裂频率，一个是五分裂频率。最终探测到了7个独立的脉动频率。

图1 基于TESS光变数据的频谱图证认了13个频率

另一方面，利用北京天文馆科研部的高性能服务器，科研人员使用基于恒星演化模型MESA的脉动白矮星WDEC软件计算了超过1400万个模型网格，获得了迄今最大的脉动白矮星星震学模型。然后对证认出的7个独立频率进行了星震学模型拟合。拟合结果获得了这颗白矮星精确的基本参数和内部结构信息。结果表明TMTS J1718的有效温度为11640+/-20开尔文，表面重力为8.267+/-0.008，质量为0.750+/-0.005倍太阳质量，核心的碳氧百分比分别为43%和57%。其内部化学元素占比轮廓也得到了精确的刻画(图2)。同时，研究人员利用美国Lick天文台的3米望远镜，也对TMTS J1718进行了光谱观测(图3)。独立的光谱拟合结果(有效温度11670+/-604开尔文，质量0.70+/-0.23倍太阳质量)也证实了星震学结果的可靠性。另外，利用频率证认中的3个分裂频率，通过理论计算也获得了这颗白矮星可靠的自转周期为25.12+/0.18小时。

图2  脉动白矮星TMTS J1718从中心到外部大气的化学元素所占百分比的轮廓图

图3 美国Lick天文台3米望远镜拍摄的光谱以及DA白矮星光谱拟合。其中下图里黑线为观测光谱，红色为模型光谱。

该研究通过对TMTS J1718这颗脉动白矮星基于TESS优质数据的星震学分析，获得了它精确的基本参数，自转周期以及内部结构信息。该研究也第一次使用了超过1400万个模型网格，是迄今最大的星震学模型。这些结果增加了具有星震学分析的脉动白矮星样本数量，更重要的是可以了解白矮星内部的化学构成和占比，帮助理解白矮星的构造和演化。

本项研究工作获得了多项国家自然科学基金以及北科院北科学者、创新培育等项目的资助。

论文链接：https://academic.oup.com/mnras/article/528/3/5242/7592020