物天科研｜天文团队余聪教授研究组在双星系统的轨道收缩方面取得新进展

       近日，我院天文团队余聪教授在天文学国际主流期刊《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表题为“Searching for orbital decay in a heartbeat star system KIC 3766353”的论文。该成果在系外行星轨道收缩的研究中取得了新的进展，通过具有潮汐激发振动的心跳星寻找到了KIC 3766353双星系统轨道收缩的潜在证据。

       太阳系外行星的发现让人类从全新的视角重新审视地球在宇宙中的位置，使得系外行星科学成为当前天文学界的研究热点之一。在目前认证的4500多颗系外行星中，仅有一颗系外行星WASP-12b被科学家证实存在轨道收缩现象，也就是这颗系外行星的公转周期以每年减少29±2毫秒的速率逐渐靠近它的宿主恒星，将在325万年之后被宿主恒星完全吞没。研究这类轨道衰减的系外行星有助于我们了解系外行星的形成和演化，推测行星系统的未来。

       在本课题研究中，余聪教授研究组提出在具有潮汐激发振动的心跳星（heartbeat star）中寻找轨道衰减的双星系统（包括行星-恒星系统）。心跳星是一类高偏心率的双星系统，它的光变曲线在近星点的时候突然增亮，形状类似于心电图（见图1），因此这类双星又称为心跳星。在心跳星中，伴星距离主星有时近有时远，周期性的引力变化激发起了主星的动力学潮汐。作者从能量的角度出发，认为主星的潮汐耗散有效地转移了双星系统的轨道角动量，从而引起双星的公转轨道收缩。这个简单的设想成功运用到KIC 3766353双星系统中。

图1：KIC 3766353的光变曲线，形状类似心电图，因此这类双星又叫做心跳星。

图2：掩食时间变化图，二次项衰减暗示KIC 3766353存在轨道收缩效应。

       双星系统如果是简单的二体运动，那么它的主掩和次掩时间都非常固定，严格遵循开普勒第三定律；如果双星系统是轨道衰减的，那么它的主掩和次掩时间将呈现二次项衰减趋势（见图2）。作者利用Kepler空间望远镜的观测数据，分析了KIC 3766353的主掩和次掩的时间变化，发现这个双星系统具有轨道收缩的潜在证据。蒙特卡洛模拟表明，KIC 3766353是一个三星系统，它的外部存在一个隐藏的第三天体，内部轨道则是一个包含红矮星的双星系统。红矮星的质量为0.35个太阳质量，半径为0.34个太阳半径，轨道收缩率为358 ms/yr。第三天体的质量下限是0.26个太阳质量，距离内轨道约111.4个太阳半径。第三体的光行时间效应和红矮星的轨道收缩效应共同造成了KIC 3766353的掩食时间变化。未来的中国空间站巡天望远镜的观测数据有望区分出光行时间效应和轨道收缩效应对这个双星系统的掩食时间变化的具体贡献。

       中山大学作为本次研究成果发表的第一单位，中国空间站工程巡天望远镜粤港澳大湾区科学中心为第二单位。余聪教授担任本次研究的共同通讯作者，欧建文博士后为第一作者，合作者还包括马克斯·普朗克太阳系研究所的姜晨研究员，南京大学杨明博士和北京师范大学牛虎彪博士。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国载人航天工程的科研经费和现代天文与天体物理教育部重点实验室开放基金等基金的大力支持。

论文链接：

Jian-Wen Ou*, Cong Yu*, Chen Jiang, Ming Yang, and Hubiao Niu, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 508(3), 2021, Pages 3967–3974.

https://doi.org/10.1093/mnras/stab2805