2022年9月12日 星期一

孿生雙星是怎麼形成的?天文學家發現有趣線索

哈伯太空望遠鏡拍攝的南門二A, B。Image©NASA

雙星在銀河系中相當普遍,在雙星族群中有一類相當特別,就是兩成員星的質量十分接近(95%以內),稱為「孿雙星」(twin binaries)理論上這類雙星成員是從同一個氣體和塵埃盤中形成,而過去天文學家以為這類雙星的互繞週期幾乎都少於40天,但近年來的觀測卻發現,孿雙星中有許多軌道距離甚遠,遠大於典型恆星盤大小(約100 au),週期甚至超過一千年。這樣的系統是如何形成的?天文學家們希望透過對孿雙星的研究,更加瞭解恆星形成過程,而最近的觀測資料提供了一些有趣的線索。

過去的推測是,當孿雙星在恆星盤中形成時,由於質量較低的恆星距離共同質心較遠,所以它繞行恆星盤的軌道較大,吸積率也較高,從而使兩星質量達到一致,但這種推論仍有爭議,因為包括氣體溫度等都會影響雙星和恆星盤間的交互作用,這些因素會如何影響雙星軌道的演化仍有待確認。由於原行星盤和恆星盤的典型半徑為100 au,因此遠孿雙星不可能是在目前的軌道上形成,而是先在近距離軌道上(10-100 au)形成後,才因某些交互作用使軌道變大。

Hsiang-Chih Hwang的研究團隊認為在軌道變遠的過程中,軌道離心率也會變大。為了驗證這個假設,他們以蓋亞(Gaia)衛星的觀測資料來進行測試,不過由於相距遙遠的雙星互繞週期也非常長,因此測量其軌道離心率非常具有挑戰性。於是 Hsiang-Chih Hwang使用另一種統計方法,利用 Gaia測得的恆星位置和速度資料,算出孿雙星的兩組向量,一組是雙星成員在天球中固有運動的方向差(v),另一組則是兩星位置間的連線(r),並計算這兩個向量間的角度(v-r angle)。透過這些向量角度及離心率的統計後,證實了前述推測,軌道距離400-1,000 au的孿雙星的確較常具有高離心率(0.95-1.0)軌道。

遠距孿雙星(藍色)和非孿雙星(橙色)類雙星的v-r角度分佈,黑線表離心率0(實線)和0.90(虛線)的雙星系統的類比分佈。Image©Hwang et al. (2022)。


圖左:軌道距離400-1,000 au的雙星角度分佈(藍色),黑色是冪次分佈模型,紅色是18.9%的恆星離心率在0.948-0.992間的遠孿雙星模擬結果。圖右:與左圖中紅色虛線相對應的模型化離心率分佈。Image©Hwang et al. (2022)。

Hwang和研究小組提出了幾種可能使軌道變大的因素,其中之一是突然的外力(kick),讓接近圓形的軌道變成高離心率軌道,但甚麼樣的機制引起並不清楚。另一種可能是遠孿雙星系統中其實有三顆恆星,第三顆是相距較遠兩成員之一的近密伴星,只是無法分辨而已,但已有研究顯示,在孿雙星中,這類伴星非常罕見。第三種可能是年輕雙星系統和恆星盤間的交互作用,使雙星間的離心率增加,這樣的過程會影響所有近雙星系統而不限於孿雙星,但在孿雙星的統計上特別明顯,是因為孿雙星在近距離雙星系統中較多。

此外研究小組也認為在軌道變大、離心率變高的過程中,有可能導致雙星瓦解,使其變成兩顆各自朝不同方向離去的單星。

“Wide Twin Binaries are Extremely Eccentric: Evidence of Twin Binary Formation in Circumbinary Disks,” Hsiang-Chih Hwang et al 2022 ApJL 933 L32. doi:10.3847/2041-8213/ac7c70

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