近期,國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)在線發(fā)表了由澳大利亞國(guó)立大學(xué)、德國(guó)馬普太陽系研究所、海德堡理論研究所、中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)等國(guó)際機(jī)構(gòu)合作完成的重要成果。研究團(tuán)隊(duì)基于我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)的低分辨率光譜數(shù)據(jù),并結(jié)合歐空局蓋亞衛(wèi)星(Gaia)的雙星軌道參數(shù),發(fā)現(xiàn)短周期相接雙星能夠突破恒星磁活動(dòng)的“飽和上限”,表現(xiàn)出更強(qiáng)的磁活動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了物質(zhì)轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)的較差自轉(zhuǎn)在恒星發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵作用,并為理解恒星活動(dòng)演化提供了重要觀測(cè)證據(jù)。
恒星磁活動(dòng)是表面存在對(duì)流層的冷星(如類太陽恒星)的基本物理特征,其能量來源于內(nèi)部對(duì)流與自轉(zhuǎn)的耦合作用。該過程通過磁流體發(fā)電機(jī)過程產(chǎn)生磁場(chǎng);當(dāng)磁場(chǎng)浮現(xiàn)至大氣時(shí),會(huì)在不同高度觸發(fā)多種磁活動(dòng)現(xiàn)象。色球?qū)又械牡湫痛呕顒?dòng)現(xiàn)象包括黑子周圍的亮斑、橫貫星盤的暗條結(jié)構(gòu)和懸在星盤邊緣的恒星珥。這些與磁場(chǎng)相關(guān)的過程能夠加熱色球大氣,并在Ca II H和K譜線中產(chǎn)生發(fā)射。LAMOST的低分辨率光譜為探測(cè)這種磁活動(dòng)特征提供了有效手段。
前人觀測(cè)結(jié)果表明,恒星磁活動(dòng)遵循關(guān)鍵規(guī)律:當(dāng)自轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng)(>3–10天)時(shí),磁活動(dòng)強(qiáng)度隨自轉(zhuǎn)加快而增強(qiáng),符合磁流體發(fā)電機(jī)理論的預(yù)測(cè);但當(dāng)自轉(zhuǎn)周期縮短至3–10天以下時(shí),磁活動(dòng)強(qiáng)度不再隨轉(zhuǎn)速增加而增強(qiáng),而是趨于穩(wěn)定水平(圖2藍(lán)線),即“磁飽和”現(xiàn)象。其物理本質(zhì)長(zhǎng)期未明,理論推測(cè)可能與恒星表面被黑子覆蓋、動(dòng)能–磁能轉(zhuǎn)化效率的上限,或較差自轉(zhuǎn)的缺失有關(guān)。

圖1 :LAMOST與Gaia望遠(yuǎn)鏡及其對(duì)雙星的觀測(cè)想象圖(圖源:余杰)。
余杰團(tuán)隊(duì)利用LAMOST低分辨率光譜結(jié)合Gaia雙星軌道數(shù)據(jù),繪制了雙星與單星的磁活動(dòng)對(duì)比圖(圖2),并取得三項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn):
(1)在極短軌道周期(0.5–1天)的雙星中,磁活動(dòng)強(qiáng)度突破單星的飽和極限(圖2),隨自轉(zhuǎn)加快而持續(xù)增強(qiáng);
(2)當(dāng)軌道周期縮短至約0.5天以下時(shí),磁活動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增加反而減弱,在色球?qū)又谐尸F(xiàn)“超飽和”現(xiàn)象的觀測(cè)證據(jù);
(3)樣本中約93%的系統(tǒng)為相接雙星,伴隨顯著的物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程。
這一結(jié)果對(duì)揭示單星磁活動(dòng)飽和機(jī)制具有重要意義。相接雙星中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移可驅(qū)動(dòng)強(qiáng)烈的剪切運(yùn)動(dòng),使α–Ω發(fā)電機(jī)效率突破單星極限。這為破解單星磁活動(dòng)飽和機(jī)制提供了關(guān)鍵線索:?jiǎn)涡强赡芤蛉狈ψ銐虻牟町愖赞D(zhuǎn)而受到限制。更廣泛地,這一研究也為理解恒星爆發(fā)活動(dòng)、恒星輻射環(huán)境以及行星宜居性提供了新的物理視角。
“該研究清楚地表明,雙星之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生一些尚未被認(rèn)識(shí)的現(xiàn)象,這突顯了在極端環(huán)境下研究物理規(guī)律的必要性。” ——海德堡理論研究所(HITS)Saskia Hekker 教授總結(jié)道。

圖2:?jiǎn)涡桥c雙星的磁活動(dòng)對(duì)比。a.基于16,844顆Kepler/K2單星的自轉(zhuǎn)周期–磁活動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系。當(dāng)自轉(zhuǎn)周期小于約2天時(shí),色球磁活動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到飽和(藍(lán)色虛線)。b.雙星的軌道周期–磁活動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系。軌道周期小于約30天的雙星,其自轉(zhuǎn)幾乎與軌道同步。2,095顆Gaia-LAMOST雙星顯示,在0.5–1天區(qū)間,磁活動(dòng)強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng),突破單星的飽和極限;當(dāng)周期約小于0.5天時(shí)出現(xiàn)“超飽和現(xiàn)象”,即磁活動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增加反而減弱。
南京大學(xué)余杰研究員是該論文的第一作者和通訊作者。此研究還包括來自澳大利亞國(guó)立大學(xué),海德堡理論研究所,海德堡大學(xué),馬克斯普朗克太陽系研究所,圖林根州立天文臺(tái),悉尼大學(xué),南昆士蘭大學(xué),中科院云南天文臺(tái),俄亥俄大學(xué),弗羅里達(dá)大學(xué),夏威夷大學(xué),哥廷根大學(xué),羅切斯特理工學(xué)院,北京師范大學(xué)的天文學(xué)家。本項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-025-02562-2