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作者简介

杨明 博士

同济大学测绘与地理信息学院

本硕博就读于南京大学天文与空间科学学院，2016 年获天文学理学博士学位，现就职于同济大学测绘与地理信息学院。研究领域为天体测量与天体力学、太阳系外行星和脉动变星。发表了 30 篇期刊论文，研究成果包括：利用开普勒卫星数据证认太阳系外行星、发现光致蒸发效应倾向于破坏卫星轨道的稳定性、通过分析南极的中国之星小望远镜阵测光数据发现掩食双星，以及探测和研究恒星脉动和耀发等。目前的研究兴趣为行星系统和脉动变星。

文章导读

双星是由两颗恒星组成的天体系统，它们之间通过引力相互作用而维持在一起。双星在宇宙中是普遍存在的，其比例占恒星总数的一半。对双星的研究是了解恒星结构和演化的基础。然而，相较于其他类型的双星，中等质量双星的探测相对困难，这导致了科学界对其形成的物理机制还不十分清楚。如何获得更多中等质量双星系统的样本，并反演它们的轨道和物理参数呢？针对这一问题，近期同济大学的杨明博士结合盾牌δ型星和光行时效应进行了探测和研究，并将该研究结果发表在了 Universe 期刊上。

研究内容与结果

◉ 光行时效应 (Light Travel Time Effect)

对于一个做二体运动的双星系统，恒星在轨道的不同位置与观测者的距离是不同的，因而光传播到观测者的时间也不同，这被称为光行时效应。如果其中一颗恒星发生稳定的脉动，那么其恒定的脉动模式可以起到精确计时的作用，给出不同位置的光到观测者的传播时间的差别。如图 1 所示，蓝色的脉动变星在不同的轨道位置 A 和 B，到观测者的光程是不同的。其脉动信号能够给出对光程差的测量，进而可计算出双星系统的轨道周期、轨道偏心率和沿视线方向轨道半长径的投影等参数，以及耦合伴星质量和轨道倾角的质量函数。

图 1. 光行时效应示意图。两颗恒星相互绕转，其中蓝色的恒星是发生稳定脉动的变星。不同的轨道位置 A 和 B 到观测者的光程不同，对应的光程差能够通过对脉动信号的时频分析获得。

◉ 盾牌δ型星 (δ Scuti star)

脉动变星是恒星本身的物理性质变化导致的恒星半径交替扩展和收缩的一类恒星。其中盾牌δ型星是一类具有高频低振幅径向和非径向脉动的变星。它们的有效温度通常高于太阳，质量约为 1.5 到 2.5 倍太阳质量，脉动周期短于 5 小时。由于它们的脉动通常比较稳定，因此可以用来探测恒星是否存在光行时效应，以证认双星系统并进行参数反演。

◉ 对脉动信号进行时频分析

本研究使用了开普勒太空望远镜 (Kepler Space Telescope) 的观测数据。该望远镜是美国国家航空航天局专门设计的用于探测系外行星的太空望远镜。它对天鹅座方向约 20 万颗恒星进行了持续 4 年的监测，发现了大量凌星系外行星和脉动变星。本研究整理出了 Kepler 视场中 2261 颗存在盾牌δ型星脉动的变星，计算了它们的脉动频率，并对星表中的全部脉动变星进行了时频分析。

排除已经确认的双星系统后，本研究通过探测光行时效应，新发现了两个双星系统，分别是 KIC 5080290 和 5480114。每个系统的所有脉动频率均呈现一致的光行时变化，如下图所示。为了获得更精度的反演参数，本研究对两个系统重新进行了孔径测光和光变曲线的校正。数据处理结果表明，两个系统的主星均为略微演化的中等质量恒星。其中 KIC 5080290 的主星为 1.5M⊙ 和 4.5R⊙，伴星质量大于 0.5M⊙，双星轨道周期约为 265 天。KIC 5480114 的主星为 2.1M⊙ 和 10.5R⊙，伴星质量大于 0.6M⊙，双星轨道周期约为 445 天。

图 2. KIC 5080290 的脉动频率谱 (上) 和光程差 (下)。下子图的纵坐标表示的是光程差除以光速，不同颜色表示不同的脉动频率。

图 3. KIC 5480114 的脉动频率谱 (上) 和光程差 (下)。

总结和展望

这项研究总结整理了 2261 颗存在盾牌δ型星脉动的变星，并对这些变星进行了时频分析。光行时效应揭示了两个新的双星系统，随着观测时间跨度的进一步扩展，未来将会有更多的发现。它们的主星都是略微演化的中等质量恒星。对这类系统的探测和研究有助于理解中等质量双星的形成和演化机制。

稳定的太空环境使空间望远镜能更精确地探测恒星的脉动。Kepler 望远镜退役后，TESS 卫星 (Transiting Exoplanet Survey Satellite) 成为其继任者，正在进行全天巡天。结合 TESS 观测，本研究系列的第二篇文章也已经发表，通过光行时效应揭示了一个轨道周期长约 4000 天的双星系统[1]。预期通过进一步扩展观测时间跨度，未来将会有更多的发现。此外，除了双星，本文提到的方法也将用来探测早型宿主恒星附近的系外行星。

参考文献

[1] Xin Lyu; Ming Yang. Hidden Companions Detected by Asteroseismology. II. A Long-period Noneclipsing Binary System Revealed by Kepler and TESS. The Astrophysical Journal Letters 2023, 943, L7 .

原文出自 Universe 期刊

Yang, M. Hidden Companions Detected by Asteroseismology. I. Two Kepler Field Non-Eclipsing Binaries. Universe 2022, 8, 614.

Universe 期刊介绍

主编：Lorenzo Iorio, Royal Astronomical Society (F.R.A.S.), Italy

期刊发表范围涵盖宇宙学、引力、场论、量子力学基础、核物理与粒子物理、天体物理与天文学以及空间科学等研究领域。自 2015 年创刊以来，被SCIE、Scopus、ADS 等多个权威数据库收录。

2021 Impact Factor 2.813

2021 CiteScore 3.2

Time to First Decision 42 Days

Time to Publication 46.63 Days