新突破！发现首个白矮星+超冷亚矮星双星系统
太阳附近的大多数恒星都是由相同丰度的元素构成的。但有一类被称为亚矮星的罕见的天体，其碳和铁等重元素的含量要少得多。这些亚矮星中温度最低的被称为超冷亚矮星，包括小质量恒星与褐矮星。超冷亚矮星很难被研究刻画。它们不仅暗淡且随着时间的推移而冷却，而且它们的年龄无法被直接测量。由南京大学张曾华副教授领导的国际团队最近发现了第一个年龄基准超冷亚矮星VVV1256-62B（如图1），其年龄约为105亿年。
图1: 艺术家对 VVV1256-62AB 的构想。背景图像是盖亚卫星拍摄的银河系的一部分（来源：ESA/Gaia/DPAC，CC BY-SA 3.0 IGO）。冷白矮星 VVV1256-62A（左）呈浅橙色。超冷亚矮星 VVV1256-62B（右）比其白矮星伴星更冷，但也更大。超冷亚矮星的表面结构基于超冷矮星大气的 3D 流体动力学模拟（Bernd Freytag）。VVV1256-62B 的大气可能比普通超冷矮星更透明，因为它的重元素含量要少很多。 图片来源：钟嘉欣、张曾华 。 |
VVV1256-62B形成于一个宽双星系统中，其主星是一颗距离太阳250光年的白矮星VVV1256-62A。这两颗伴星相距约1400个天文单位（1个天文单位=1.5亿千米，即地球与太阳之间的距离），绕行周期约为6万年。我们的一生太短暂，将无法看到它们的轨道运动；然而，我们通过对比用欧洲南方天文台（ESO）‘天文可见光和红外巡天望远镜’ (VISTA) 在不同年份拍摄到图像可以发现，它们在天上共同以相同的速度和方向运动（如图2，图3）。
图2: VISTA 于2010 & 2015 年在1微米波段观测的VVV1256-62 A（左）和B（右）的图像（上北左东）。 | 图3: VISTA 于 2010, 2012, 2013, 2015 年在2.2微米波段观测的VVV1256-62 A（左）和B（右）的图像（上北左东）。 |
VVV1256-62B最初被认定为超冷亚矮星，是因为它在VISTA的银河变星巡天 (VVV) 的红外天体测量星表 (VIRAC；Smith et al.，2018) 中的具有很高的角速度。2019年，张曾华等人根据欧洲南方天文台的甚大望远镜 (VLT) 获得的光学和近红外光谱，将它确认为 L3 型的超冷亚矮星（恒星与褐矮星的光谱型序列是：OBAFGKMLTY）。VVV1256-62A没有被VIRAC 探测到，是因为它太暗并且位于背景星较多银盘区域。幸运的是，VVV1256-62A和B都足够明亮，可以在欧洲太空局 (ESA) 的Gaia盖亚空间天文台第三次发布的数据中被探测到。在这些数据中，团队可以清楚地看到这两颗天体在相同的距离以相同速度和方向移动，确认了它们是个宽距双星系统。
目前，VVV1256-62AB正经过太阳附近区域，以406千米/秒（146万公里/小时）的速度远离银河系中心。从VVV1256-62B测得的系统径向速度大约比其总速度小10倍。“这是因为双星的当前方向接近垂直于视线”，该论文的合著者、西班牙天体生物学中心的Maria-Cruz Gálvez-Ortiz博士解释说。该系统的角速度为1.1角秒/年，对于太阳系外的天体来说非常高。盖亚卫星已经测量了15亿颗恒星的距离和角速度，只有三颗恒星的距离比 VVV1256-62AB更远且角速度更快。这对双星的角间距为18角秒，小于人眼的分辨能力（40-60角秒）。尾随的白矮星还需要16年才能接近其伴星的当前位置。
“这对双星的速度非常高，但还不足以逃离银河系。因此，我们能够根据其当前位置、距离、角速度和径向速度来计算其在银河系中的轨道”，该研究论文的合著者、加泰罗尼亚理工大学的Roberto Raddi博士说。如图4显示，该双星的银河系轨道沿着银盘且偏心率很大，每4亿年经过距离银河系中心3千光年的轨道（注意我们的太阳距离银河系中心约2.67万光年）。由于该双星的速度如此之高，它在最远点时距离银河系中心10万光年。通过VVV1256-62AB运动的动画可以更直观的理解其在银河系中的运动。这种偏心轨道的起源尚不明确，但可能与原位内层银晕的存在或银河系与卫星星系过去的合并有关。
图4: VVV 1256-62AB过去20亿年（青色曲线）到未来20亿年（红色曲线）的平均轨道。其当前在太阳附近的位置用白色圆圈表示。背景是基于Gaia DR3构建的银河系的螺旋结构（来源：ESA/Gaia/DPAC, Stefan Payne-Wardenaar, CC BY-SA 4.0 IGO）。底部是以相同比例绘制的[Y, Z] 空间中轨道的侧视图。 图片来源：Roberto Raddi, Zenghua Zhang, MNRAS |
VVV 1256-62AB（紫色圆点）从过去20亿年（青色曲线）到未来20亿年（红色曲线）银河系的运动轨道的俯视图（上）和侧视图（下）。太阳的位置用五角星表示。
来源：Roberto Raddi, Zenghua Zhang, MNRAS
研究团队利用双子座南天望远镜观测到了VVV1256-62A的光学光谱，该望远镜是国际双子座天文台的一部分，由美国国家科学基金会部分资助，并由NSF NOIRLab运营。该研究论文的合著者、英国莱斯特大学的Sarah Casewell博士说：“这条光谱看起来没有特征谱线，因为这颗白矮星太冷，无法探测到巴尔末线。”通过白矮星大气模型的与暗能量照相机银盘巡天（DECaPS）和VVV巡天的观测结果的拟合得出，VVV1256-62A的温度约为4150摄氏度。这颗白矮星比我们的太阳（5500摄氏度）更冷，在可见光下应该呈浅橙色（如图1），而不是像大多数白矮星那样呈白色或蓝色。
“我们通常假设超冷亚矮星的年龄在80亿至140亿年之间，就像银河系晕中的其他恒星一样。但这一假设从未得到观测证实”，张副教授说。VVV1256-62AB为我们提供了首次通过其白矮星伴星估算超冷亚矮星年龄的机会，因为白矮星相对容易建模，我们可以精确地确定它们的年龄。研究团队确定VVV1256-62A的总年龄为105亿年。“白矮星的年龄是其前身恒星（1.9倍太阳质量）的寿命（20亿年）和白矮星的冷却时间（85亿年）之和”，Raddi博士解释道。
研究团队根据其光谱与大气模型的拟合得出，VVV1256-62B 的温度约为2000摄氏度，其氢和氦之外重元素含量仅为附近恒星平均水平的15%。因此，VVV1256-62B的大气可能比普通超冷矮星更透明。VVV1256-62A的质量是VVV1256-62B的七倍，但直径只有VVV1256-62B的七分之一。因此，这颗白矮星的密度更大，其表面重力（74,000 g，其中g是地球表面重力加速度）也比超冷亚矮星的（270 g）高得多。
“VVV1256-62B是首个亚太阳金属丰度的L型矮星年龄基准，也是刻画其它超冷亚矮星和校准大气模型的重要参考，”研究论文的合著者、加州大学圣迭戈分校的Adam Burgasser 教授说道。“我们期待即将在批准的项目中利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)观测该天体，”Burgasser教授补充道。
盖亚卫星在可见光下测量恒星，只能观测到大约数十颗L亚矮星，因为这些天体主要发射近红外光，在可见光下非常暗淡。“像提议的 GaiaNIR 卫星这样一种在近红外波段观测的天体测量太空望远镜将能够观测到更多的超冷亚矮星”，该研究论文的合著者、意大利都灵天文台的Richard Smart博士说。
这对双星是在南京大学天文学院为大三学生开设的早期科研课程中偶然发现的。张副教授说：“我当时正在给三名本科生讲解如何使用盖亚近邻恒星星表寻找宽距双星。为了演示，我一时兴起，决定试着寻找白矮星+超冷矮星宽距双星，结果找到了5对。VVV1256-62B是其中一颗伴星，这让我很惊讶，因为我在2019年写过一篇关于这个天体的论文，知道它是一颗L亚矮星，有着非常特殊的银河系轨道。”张副教授通过屏幕录制记录了当时从意外到怀疑再到惊喜和兴奋的发现过程（视频如下）。
欧洲太空局在盖亚卫星的“Image of the Week” 同时报道了这个发现：
https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/iow_20240820
这项研究成果最近在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）发表，成为“远古甚小质量恒星与褐矮星”系列论文的第8篇。
研究论文：https://academic.oup.com/mnras/article/533/2/1654/7727815
https://ui.adsabs.harvard.edu/public-libraries/gVGomDWcQGyKPWw2CGg3dg
“远古”系列论文链接
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来源：南京大学天文与空间科学学院编辑：岳元立 杨从忠 王雪纯责编：王 俊 李烨婧