认识G 117-B15A：宇宙中最稳定的光学钟

简介：在银河系中距离我们不远有一颗死星的遗骸（G117-B15A）。它每隔215.19738823秒（超过三分半钟）就以很小的幅度脉动。自1974年以来，天文学家就对这些脉冲进行了测量，他们观察到这一周期非常的稳定。如果将这些脉动用作时钟，则每620万年仅损失一秒钟。

图解：离我们最近的白矮星是天狼星 B ，其质量与太阳相当，但体积仅与地球相当。要知道，太阳直径可比地球大一百多倍。图源：原文。

在离我们187光年的地方——在银河系的尺度下并不算很远——有一颗基本已经停止活动的恒星。它曾经也跟太阳一样，甚至可能曾有将近六倍于太阳的质量，但是在四亿年前它还是走完了作为主序星的阶段。它先膨胀成了一颗红巨星，继而抛射出了它的外层物质。最终，它失去了太多物质而将自己又热又致密的核心部分暴露在外。

这类天体被叫做白矮星（whitedwarf）。宇宙中约90%的恒星最终都将演化成为白矮星。但是，这个被称为G117-B15A的白矮星是很特殊的一颗，它可能是人类所观测到的最稳定的光学钟。它的亮度信号存在规律的脉冲，其光度每215.19738823秒（比三分半稍微久一点点）就轻微地改变一次。天文学家们自1974年就开始观测这些脉冲，发现脉冲周期有非常微小的延长。这个延长有多小呢？如果你用这些脉冲信号来计时，那么每620万年它只会产生一秒的误差。

图解：天狼星系统的哈勃图像：天狼星 A （中心）及其白矮星伴星 B （左下方）； A 比 B 亮大约 10000 倍。这是距离太阳最近的双星系统之一。图源：原文。

这个钟走得相当准，是个好钟无疑了。

从某种角度上说，白矮星是个简明的系统，它们不会自己产生能量，只是呆在宇宙中随时间流逝而缓慢冷却。不过从另一种角度上说，白矮星也是相当复杂的天体，因为它们的密度太大了——每立方厘米的质量可有一吨甚至更多——以至于量子力学原理在它们的结构中起主要的作用。

白矮星中有一类被称为DA型白矮星，它们的大气成分主要是氢气。如果它们的表面温度恰好在12000摄氏度左右，那么它们的亮度会有较严格的周期性变化。尽管变化的幅度很小，约莫只有千分之一于总亮度，但是对于本身就比较亮的白矮星（一般是那些碰巧比较近的白矮星，要知道白矮星本质上不会特别明亮所以我们只能很好地观测那些靠得比较近的）来说，这已经足以去观测了。这类白矮星被叫做DAV型白矮星（V表示其为变星）。

DAV型白矮星亮度的周期性变化和它们大气中的氢元素脱不了干系。在那样的表面温度下，这些氢原子因为容易被电离而显得不稳定——换句话说，这些氢原子很容易失去它们的核外电子。特别地，当某些机械波在白矮星外层传播并导致星体表面轻微振动的时候，氢原子的电离更容易发生。

机械波在白矮星表层中的传播好比波纹在池塘水中的传播，只需要你往里面扔块石头，呃，可能扔一小块鹅卵石就够了——它不是效果很夸张的波。这种水波被称为重力波（gravitywave），因为当水面在石头的作用下往下移动了一段距离后，它会受重力的作用而被拉回。水面会接着向上移动一点，但再一次会因重力作用而被拉回，如此循环下去。

图解：云内产生的重力波， 2016 年 1 月摄于博尔德县。相机朝南，云波的线条沿东西方向延伸。图源： syfy 。

在白矮星上，类似地，机械波能在星体表面传播而产生作用，并导致其亮度的微小改变：星体的亮度会略微变大，接着变小，此后再一次变大，循环。对白矮星G117-B15A来说，这个循环的周期是215.19738823秒。

图解：天狼星 B 与地球大小对比图。图源：原文。

换而言之，如果你在公元6202021年再次观测这颗恒星，你会看到它的周期是21 6 .19738823秒。我希望你有这个耐心，毕竟这个结果可能并不令人兴奋。

天文学家们调查过很多可能引起这个周期变化的因素，包括磁场，包括对该白矮星有影响的一颗伴星（在距该星很远的轨道上确实有一颗像暗灯泡一样的红矮星），还包括其他众多因素，最后发现其根本因素就只是白矮星本身大气中的氢。

这个结果很漂亮。实际上太空中的高精度“时钟”很多，比如一些毫秒脉冲星。毫秒脉冲星甚至有着比白矮星更大的密度，它们疯狂自转，可以在一秒钟自转几百次，且它们的自转相当稳定：其自转周期每过十亿年才会有显著的变化。不过呢，它们更容易出现自转突变（glitch）的情况，就是说自转速度容易发生突然改变，这往往是恒星内部力学结构的变化（例如壳层移动导致力学平衡破坏）造成的。所以，总得来说这些“时钟”的准度反而不及G117-B15A。

图解： F-1 原子钟，位于美国国家标准与技术研究所，科罗拉多博尔德。该原子钟每走一亿年产生的误差不超过一秒。图源：原文。

我知道这可能有点难以理解，但总之我想表达的意思是：这颗白矮星的明暗变化（我们可以用眼睛看到的那种）的等时性总体比任何其他人类已知的光学钟都要好。

这是很重要的，因为这能让天文学家更好地了解恒星的内部情况，比如可以了解白矮星内部的冷却速度有多快。由于白矮星不会自己产生热量，所以我们可以利用冷却速度去计算白矮星的年龄：其自聚变活动停止以来已经过去了多久。这个结果可以进一步帮助我们更多地了解恒星成为白矮星并逐渐停止活动的过程，以及某颗白矮星曾经是什么类型的恒星等等。

我们的太阳也终有一天会变成白矮星，大约在70或80亿年后就会，并且此后将一直是白矮星。那么太阳停止活动的过程是怎么样的？这将对整个太阳系产生什么样的影响？这都是些有趣的问题，并且都和目前的研究紧密相关。

图解：太阳系行星。图中星体的大小比例是正确的，但是距离比例不正确。图源： syfy 。

另外，这颗白矮星本身就很帅。它有着0.6倍于太阳的质量，但却被挤得和地球差不多大；它像钟一样定时“响起”且拥有相当稳定的周期，以至于你可以依照它来对表……而且在将来很长、很长一段时间内都可以十分放心地拿它来对表。

BY: Phil Plait

FY:浪漫主义学派

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双星系统是指由两颗恒星组成，相对于其他恒星来说，位置看起来非常靠近的天体系统，联星是指两颗恒星各自在轨道上环绕着共同质量中心的恒星系统。双星可以当成联星的同义词，但一般而言，双星可以是联星，也可以是没有物理关联性，只是从地球观察是在一起的光学双星。双星系统是天体物理学中一个重要研究课题，对于研究不同天体间的关系问题具有重要意义。

分类介绍编辑

物理双星

双星有多种。一颗恒星围绕另外一颗恒星运动，并且互相有引力作用，称为物理双星；一般所说的双星，没有特别指明的话，都是指物理双星。

光学双星

两颗恒星看起来靠的很近，但是实际距离却非常远，这称为光学双星。

目视双星

根据观测方式不同，通过天文望远镜可以观测到的双星称为目视双星；

分光双星

只有通过分析光谱变化才能辨别的双星称为分光双星。

食双星

有的双星在相互绕转时，会发生类似日食的现象，从而使这类双星的亮度周期性地变化。这样的双星称为食双星或食变星。食双星一般都是分光双星。

密近双星

还有的双星，不但相互之间距离很近，而且有物质从一颗子星流向另一颗子星，这样的双星称为密近双星。

X射线双星

有的密近双星，物质流动时会发出X射线，称为X射线双星。

物理特点编辑

在银河系中，双星的数量非常多，估计不少于单星。研究双星，不但对于了解恒星形成和演化过程的多样性有重要的意义，

而且对于了解银河系的形成和演化，也是一个不可缺少的方面。

其中一个的万有引力有另一个星体提供，反之相同。它们的向心加速度之比为他们质量的反比。

高中做题中的双星问题。[1]

注意：行星围绕恒星做圆周运动，或者卫星绕行星做圆周运动时，万有引力作用的距离，刚好是行星(或卫星)圆周运动的轨道半径，但是在双星系统中的引力作用的距离与双星运动的轨道半径是不同的，双星系统中两星做圆周运动时的角速度和周期是一定相同的。

4观测历史编辑

冬季星空，从猎户座三星向东南方向看去，一颗全天最亮的恒星在那里放射着光芒。它就是大犬座α星，我国古代也叫它天狼星。天狼星的视星等为－1.45m，距离我们只有8.6光年。“天狼星”三个字让人想起孤独、冷漠和遥远。虽然事实上不是这样，我们能看到的天狼星A是炽热的恒星，还有一颗伴星天狼星B，而相对于夜空中其它恒星，他又离地球很近。

1844年，德国天文学家贝塞尔根据它的移动路径出现的波浪图形推断天狼星是一颗双星，因为该星在附近空间中沿一条呈波形的轨迹运动。天狼星及其伴星都在偏心率颇大的轨道上互相绕转，绕转的周期是49.9年，平均距离约为日地距离的20倍。尽管亮星光芒四射，用大望远镜还是不难看到那颗7等的伴星。伴星的质量与太阳差不多，它的半径却只有太阳的1/50，密度则比太阳大得多，平均密度为30㎏/立方厘米,是第一颗被发现的白矮星。

5发现历史编辑

1650年，Giovanni Battista Riccioli在大北斗（大熊座）发现双星系统。

1685年，在南天的南十字座，丰特奈神父发现了明亮的十字架二双星系统。

1767年，约翰·米契尔最早提出双星可能彼此间有着物理上的关联性，他认为双星都是由彼此对齐而形成的可能性太小。

1779年，威廉·赫歇尔开始观测双星系统，不久就发表了含700对双星的目录。

1802年，科学家威廉·赫歇尔首次提出了“双星”这个名词。

1827年，第一个双星系统的完整轨道大熊座Xi，由Félix Savary计算完成。

1844年，德国天文学家贝塞尔根据天狼星的移动路径出现的波浪图形，推断天狼星处于双星系统，从而得出它有一颗伴星和绕转周期约为50年的结论。这颗伴星于1862年被美国天文学家克拉克(A.Clark)用他自制的当时最大的口径4.7m折射天文望远镜最先看到。

6轨道周期编辑

双星系统中恒星的轨道周期可以短于一小时（如猎犬座AM），或是数天（天琴座β型变星），但是也有长达数十万年的（环绕着南门二 (半人马座αAB）的比邻星)。

研究信息编辑

2012年8月28日，美国一个天文学研究团队发布最新研究成果，他们利用“开普勒”太

空望远镜首次观测到一个双星系统中两个行星围绕一对恒星运转。此前的天文学研究已证实，宇宙中的恒星多数不会像太阳一样“孤独地”运转，而往往会伴随另一颗恒星，并且两者相互环绕运转。天文学家已在这些双星系统中发现围绕它们公转的行星，但数量都没有超过一个。

据领导这项研究的美国州立圣迭戈大学天文学家杰罗姆·欧罗斯介绍，新发现的双星系统被命名为“开普勒－47”，这一系统中的其中一个恒星具有类似太阳的体积，另一个的体积仅有它的三分之一。两个行星的大小则与海王星相近，它们在相当近的轨道上围绕双星公转。

更重要的是，在最外围轨道运转的那颗行星，恰恰处在天文学家称为“宜居地带”的位置上，其进一步的研究有可能发现类似地球的宜居行星。[2]

法国科学家发现有两个太阳的天体

北京时间2013年4月1日消息，据国外媒体报道，法国科学家认为他们已经在特别遥远的一个星系里，捕捉到一颗天体2MASS0103(AB)b围绕两个太阳运行的第一张图，由法国格勒诺布尔约瑟夫傅立叶大学的菲利普-达拉姆及其同事在2012年11月拍摄到。他们查阅望远镜的档案数据后发现，这个巨大天体在2002年到2012年间运行了相当远的一段距离。

他们认为，这颗星球的运行轨道距离双子星大约有125亿公里。它距离它的主星非常近，很有可能正是双子星周围的尘埃盘形成了该天体，很多行星都是这么诞生的。但是2MASS0103(AB)b的质量是木星的12到14倍，位于行星和降级恒星褐矮星之间的分界线上。

有四个太阳的行星被证实

2012年10月17日，英国科学家确认了一颗与4颗恒星相伴的行星，这意味着该行星的天空上有“四个太阳”，这是天文界首次发现此类天体系统。这颗行星位于天鹅座，距地球约3200光年，大约是地球大小的6.2倍。

研究人员发现，这颗被称作PH1的行星绕着一个双星系统旋转，而同时还有另一个双星系统绕着前一个双星系统转动，这意味着同时有4颗恒星照亮它的天空。但这样的系统也让天文学家困惑，不明白这颗行星如何能在4颗恒星的引力下稳定存在而没有被“撕碎”。

双星系统是两颗恒星互绕旋转的系统，这种系统并不罕见，但拥有行星的双星系统并不多。在数以千计的已知行星中，此前只发现有6颗行星是绕双星系统旋转的。而本次发现的行星PH1是第一颗同时还伴有另一个双星系统的行星。

8两个太阳编辑

2013年4月1日，国外科学家认为，他们已经在特别遥远的一个星系里，捕捉到一颗行星围绕两个太阳运行的第一张图。

智利欧洲南方天文台的望远镜拍到的这张图片显示，一颗巨大的天体围绕一对双子星运行。然而，它的体积非常大，研究人员无法确定它是一颗降级恒星，还是一颗特别庞大的行星。他们表示，确定它的身份将有助于人们更好地了解恒星和行星是如何形成的。[3]

9形成理论编辑

重力形成理论

虽然这种可能性相当低，但经由重力捕获将两颗恒星结合在一起创造出双星系统，并不是不可能的。在这个过程中，需要三个天体，依据能量守恒律需要一个物天体带走被捕获天体的能量。但双星系统数量众多，这不可能是形成双星系统的主要程序。

扰动形成理论

三颗恒星位置接近，在三者相互扰动之下，系统终会将三颗恒星中的一颗抛出，并且假设在没有明显的进一步扰动下，留下来的两颗星会形成稳定的双星系统。

质量传输和吸积理论

当一颗主序星在演化的过程中尺寸增加时，或许会超出它的洛希瓣，意味着有些物质可能会进入伴星的重力牵引大于它本身引力的区域。这样的结果是质量从一颗恒星由所谓的洛希瓣溢流，经由吸积盘的吸收或直接的撞击，而传输至另一颗恒星（伴星），形成双星系统。

参考http://baike.baidu.com/view/77550.htm?fr=aladdin

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