2022年12月4日 星期日

天文學家破解四合星系統舞出的奇特光變曲線


在過去20年裡,天文學家們觀測了非常多的恆星光度曲線,其中大多數都是可預測的,如系外行星凌日、食雙星等等,都具有簡單的規律性,偶爾也會星斑或恆星膨脹收縮而出現不規律的變化,但大多沒有特別出人意料的現象。

但在迄今已被記錄的數十萬條光變曲線中,有幾個呈現出令人費解的怪異現象,例如 TIC 114936199 被凌日系外行星巡天衛星 (Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS) 在大約30天內所觀測記錄的三段光變曲線,第二和第三區看起來像標準的雙星,但第一區卻呈現非常不規則的減光。

TESS 觀測 TIC 114936199 的光變曲線,Powell et al. 2022

為了解開這個謎題,Brian Powell(NASA 戈達德太空飛行中心)所領導的研究團隊,嘗試用各種恆星組合來解釋第一區中如此奇怪的曲線。TESS之前的觀測讓他們考慮四顆恆星的組合,但要模擬四顆恆星的大小、位置和速度是巨大的挑戰。在廣大的參數範圍裡,標準蒙地卡羅擬合程序在尋找局部最小值中無法找到合理的解決方案,研究團隊於是改用 NASA 的超級電腦來提升計算能力,並優化計算方法,在花了幾十萬計算小時,完成數百萬種可能組合的模擬後,最後終於找到一個由四顆恆星環繞三個中心的解決方案。

TIC 114936199 的模擬圖,四合星光度變化最深處是當 Aa 與 Ab 通過 C 星前方產生星食所造成© Powell et al. 2022

這個模型精確地預測了TESS觀測第一區中複雜的光變模式,並且成功解釋了何以沒有週期性。在這個模型中,最內側的恆星 Aa和Ab每3天相互食一次,但是在第一區觀測的12天裏,它們也個別食C星一次,這種特別的機會在2025年還會發生一次,再之後就得等到2071年了。

這並非TESS觀測到的第一個四合星系統,但卻是第一個 2+1+1 配置的系統。天文學家們期望能在三年後觀測到下一次如此複雜的星食。


TESS觀測資料第一區數據的放大圖(藍色)與模型(紅線)的對比。殘差標示在時間序列的下方© Powell et al. 2022

“TIC 114936199: A Quadruple Star System with a 12 Day Outer-orbit Eclipse,” Brian P. Powell et al 2022 ApJ. 938 133 doi:10.3847/1538-4357/ac8934

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