COBIPULSE：系統性搜尋緻密雙星毫秒脈衝星

核心概念

本文介紹了 COBIPULSE 計畫，這是一個透過光學觀測尋找新的緻密雙星毫秒脈衝星（蜘蛛星）的系統性搜尋計畫，並提出了四個新的候選蜘蛛星系統。

摘要

研究目標

本研究旨在透過系統性的光學觀測，尋找新的緻密雙星毫秒脈衝星，又稱為「蜘蛛星」。

研究方法

研究團隊利用費米大面積望遠鏡（Fermi-LAT）的觀測數據，選定了 33 個具有脈衝星特徵的未確認伽馬射線源。接著，他們使用 STELLA、INT 和 LCO 等望遠鏡，對這些射線源進行了長達一年的光學多波段成像觀測。透過分析光變曲線和周期搜尋，他們尋找可能存在的蜘蛛星系統。

主要發現

• 本研究發現了四個新的光學變星，它們分別與費米射線源 3FGL J0737.2−3233、3FGL J2117.6+3725（該區域有兩個系統）和 3FGL J2221.6+6507 相吻合。
• 這些變星的光變周期分別為 0.3548 天、0.25328 天、0.441961 天和 0.165 天，振幅大於 0.3 星等，顏色與溫度介於 5000-6000K 的伴星相符。
• 這些特徵與「紅背蜘蛛」脈衝星的子類別一致。
• 如果 3FGL J0737.2−3233 被證實為毫秒脈衝星，它將成為距離地球最近的蜘蛛星（根據 Gaia-DR3 的視差數據，距離約為 659+16
  −20 秒差距）。
• 研究團隊在 X 射線波段沒有找到與這四個候選星體相匹配的射線源，對其軟 X 射線光度的 3σ 上限約為 1031-1032 erg s−1（0.3-10 keV）。

研究結論

本研究發現的四個光學變星，極有可能是新的蜘蛛星系統。這些發現為進一步研究毫秒脈衝星的形成和演化提供了新的觀測目標。

研究意義

本研究擴展了蜘蛛星的樣本數量，有助於我們更深入地了解這類特殊天體的物理性質和演化過程。

研究限制和未來方向

• 本研究的光學觀測靈敏度有限，可能無法探測到較暗的蜘蛛星系統。
• 未來需要更高靈敏度的光學和 X 射線觀測，以確認這些候選星體的身份，並進一步研究其物理特性。

統計資料

約 20% 的已知無線電毫秒脈衝星存在於緻密雙星系統中，軌道週期小於 1 天。
費米大面積望遠鏡（Fermi-LAT）自 2008 年發射以來，已發現至少 119 顆新的毫秒脈衝星。
最新發布的費米-LAT 星表（4FGL-DR4）列出了超過 2100 個未確認的射線源。
根據星族合成模型，預計在未來五年內將探測到至少約 70 顆新的毫秒脈衝星。

引述

「蜘蛛星為探測脈衝星和伴星風之間的雙星內激波提供了獨特的機會。」
「這些系統代表了尋找大質量中子星的有希望的環境。」

從以下內容提煉的關鍵洞見

COBIPULSE: A Systematic Search for Compact Binary Millisecond Pulsars

by Marc... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18199.pdf

深入探究

除了光學觀測之外，還有哪些方法可以用於搜尋和確認蜘蛛星系統？

除了光學觀測，還有以下幾種方法可以用於搜尋和確認蜘蛛星系統：

無線電觀測: 蜘蛛星系統中的毫秒脈衝星會發射無線電脈衝，可以通過無線電望遠鏡搜尋這些脈衝來發現它們。然而，由於蜘蛛星系統中伴星物質的吸收和色散效應，無線電脈衝可能會被遮蔽或變得難以探測，尤其是在軌道週期較短的系統中。
伽馬射線觀測: 蜘蛛星系統中的毫秒脈衝星也是伽馬射線源，可以通過費米伽瑪射線太空望遠鏡等儀器探測到。與無線電觀測相比，伽馬射線受伴星物質的影響較小，因此更容易探測到。
X射線觀測: 蜘蛛星系統中的脈衝星風和伴星物質之間的相互作用會產生 X 射線輻射，可以通過錢德拉 X 射線天文台和 XMM-牛頓衛星等 X 射線望遠鏡觀測到。
紅外觀測: 蜘蛛星系統中的伴星會受到脈衝星輻射的加熱，因此在紅外波段會比一般的恆星更亮。可以通過紅外望遠鏡搜尋這些紅外超量來發現蜘蛛星系統。
總之，結合多種觀測方法可以更有效地搜尋和確認蜘蛛星系統。

是否所有蜘蛛星系統都表現出強烈的 X 射線輻射？

並非所有蜘蛛星系統都表現出強烈的 X 射線輻射。雖然脈衝星風和伴星物質之間的相互作用通常會產生 X 射線輻射，但輻射強度會受到多種因素影響，例如：

脈衝星的自轉能量損失率: 自轉能量損失率越高的脈衝星，其脈衝星風越強，產生的 X 射線輻射也越強。
伴星的質量和大小: 質量較小、體積較小的伴星更容易被脈衝星風剝離物質，產生更強的 X 射線輻射。
軌道週期: 軌道週期越短的系統，脈衝星和伴星之間的距離越近，相互作用越強，產生的 X 射線輻射也越強。
觀測角度: X 射線輻射的強度與觀測角度有關，某些角度下觀測到的輻射可能會被遮擋或減弱。
因此，有些蜘蛛星系統的 X 射線輻射可能較弱，難以被探測到。

蜘蛛星系統的演化最終會導致什麼樣的結果？

蜘蛛星系統的演化最終結果取決於系統的初始條件，例如脈衝星和伴星的質量、軌道週期等。以下是幾種可能的演化結果：

伴星完全蒸發: 如果脈衝星的輻射足夠強，可能會逐漸剝離並最終完全蒸發掉伴星的物質，形成一個孤立的毫秒脈衝星。
形成白矮星-毫秒脈衝星雙星系統: 如果伴星的質量較大，脈衝星的輻射不足以完全蒸發掉伴星，那麼伴星最終可能會演化成一顆白矮星，形成一個白矮星-毫秒脈衝星雙星系統。
發生 Ia 型超新星爆炸: 在極少數情況下，如果伴星的質量不斷增加並超過錢德拉塞卡極限 (約為 1.44 倍太陽質量)，那麼伴星可能會發生 Ia 型超新星爆炸，摧毀整個系統。
總之，蜘蛛星系統的演化是一個複雜的過程，最終結果會受到多種因素影響。