什么是双星？

　　大多数恒星都是双星系统的一部分。(图片来源:uux.cn/科学图片库via Getty)

　　据美国太空网（罗伯特·李）：双星是一个由两颗引力束缚的恒星组成的系统，它们围绕一个共同的质量中心运行，这个质量中心叫做重心。

　　双星系统中的恒星不一定具有相同的质量、大小或亮度。双星中较大的一颗被称为主星，而较小的一颗被称为副星或伴星。

　　双星是双星，但并不是所有的双星都是双星。这是因为一些双星由地球上空足够接近的两颗恒星组成，看起来像是一个光点，但它们实际上在空间上相距很远，不是引力束缚双星系统的一部分——这些被称为光学双星。

　　双星常见问题

　　什么是双星？

　　如果一颗恒星是双星，这意味着它是一个由两颗受引力束缚的恒星组成的系统，围绕一个共同的质量中心运行。

　　双星稀少吗？

　　不。据估计，大约85%的恒星存在于双星系统或有三颗或更多恒星的系统中。单星约占所有恒星的15%，但只有44%与太阳相似的恒星被发现有双星伴，尽管这一比例目前正在激烈辩论。

　　太阳以前是双星吗？

　　虽然太阳目前是一颗恒星，但2020年发表的研究表明，它可能曾经有一个类似大小的双星伴星。这一理论的证据来自这样一个事实，即双星更容易捕获奥尔特云，即围绕太阳系外部边界的冰体外壳。

　　2018年，一个天文学家小组发现，恒星HD 186302与太阳非常相似，可能是我们母星的兄弟恒星或“太阳2.0”，另外三个可能的候选恒星也突显出来。

　　双星有多常见？

　　与太阳不同，绝大多数恒星都有一个双星伴星。澳大利亚望远镜国家机构估计，多达85%的恒星可能存在于由两颗或三颗恒星组成的系统中。所以多星系统是标准，双星系统是最常见的多星系统。

　　根据《凌日系外行星》(剑桥大学出版社，2010年)一书，恒星拥有伴星的机会似乎随着其大小而减少。大约75%的大质量O型、B型和A型恒星似乎是在多恒星系统中发现的，大约一半的已知F型和G型类日恒星是在伴星中发现的，只有25%的小型M型红矮星是在多恒星系统中发现的。

　　双星系统还可以包括包含一颗普通恒星和一颗恒星残余物的系统，恒星残余物是恒星耗尽核聚变燃料并在其自身重力下坍缩时形成的物体。这些致密致密的恒星“尸体”可以包括白矮星、中子星和黑洞。特别是古老的双星系统可能包含两个互相环绕的恒星残骸。

　　哈勃太空望远镜首次提供了巨星米拉及其附近伴星的扩展大气层的紫外光图像。(图片来源:uux.cn/玛格丽塔·卡洛夫斯卡(哈佛-史密森天体物理学中心)和美国国家航空航天局)

　　谁发现了双星？

　　根据牛津大学的说法，对双星的第一次观察是在17世纪初，但这些物体的双星性质是后来才被揭示的。

　　1767年，天文学家兼牧师约翰·林可唯将统计学原理应用于天文学，研究了夜空中星星的分布。他确定成对的恒星比随机排列的恒星多得多，从而为双星和星团提供了第一个证据。

　　在他1781年的80个恒星系统的目录中，天文学家克里斯蒂安·迈耶提出“这些恒星可能是围绕较大太阳旋转的小太阳。”然而，天文学家和作曲家弗雷德里克·威廉·赫歇尔并不相信双星是由物理束缚系统中的恒星组成的，所以他开始测量到这些系统的距离，使用视差原理，即观测者视角变化引起的物体位移。

　　赫歇尔于1782年出版了他的269颗双星的星表，并于1784年出版了另外434颗双星的星表。在姐姐卡罗琳的帮助下，赫歇尔观察到了这些双星相对位置的变化，并于1797年发表了这些观察结果。1803年，他发表了一个演示，表明这些变化是存在于相互吸引的物理系统中的恒星的结果，真正使双星引起了天文学界的注意。

　　不同类型的双星系统

　　VFTS 352的插图，所谓的接触双星，其中恒星共享恒星物质。(图片鸣谢:uux.cn/ESO/l . calada)

　　双星系统中恒星之间的距离和它们的轨道周期在双星之间有很大的不同，一个系统可以由这些轨道距离来定义。双星系统中的恒星的轨道间距可以相当于地球和太阳之间距离的几千倍；根据“凌日系外行星”，这些被预测为“宽双星”。(剑桥大学出版社，2010年)。

　　还有“接近的二进制”这些系统中的恒星通常如此接近，以至于它们可以交换物质，失去物质的恒星称为“施主星”，收集物质的恒星称为“吸积星”。(吸积是物质被馈入天体的过程，比如恒星、白矮星、中子星或黑洞。)

　　分离双星是不交换物质的双星。半分离双星是一些物质从一颗恒星流向另一颗恒星的恒星。接触双星中的恒星靠得很近，它们的气体包层重叠。根据《太阳和恒星导论》(剑桥大学出版社，2015年)一书的说法，后面这些恒星可能正在合并。

　　然而，轨道距离和物质交换并不是双星分类的唯一方法。根据澳大利亚望远镜国家设施，有四种类型的双星系统被用来检测它们的方法分类。

　　视觉二进制

　　视觉双星是一个双星系统，在这个系统中，从地球上看，恒星可以在望远镜中被单独地看作是独立的天体。由于这个原因，大多数可见双星是离地球较近的恒星系统。它们也往往是宽双星，因为这些因素使得恒星成分更容易分辨。

　　由于它们之间的距离，视觉双星中的恒星通常不会通过物质交换来相互作用。视觉二进制中较亮的星被赋予后缀“A”，而较暗的星被赋予后缀“b”

　　光谱双星

　　当一个双星系统太远，或者当恒星太靠近时，就不能像目视双星那样用望远镜单独分辨星体。然而，天文学家可以利用一种叫做多普勒频移的现象来区分这些双星系统中的恒星，这种双星系统被称为光谱双星。

　　多普勒频移之所以有效，是因为当恒星向地球移动时，光的波长会缩短，使其向电磁波谱的蓝端移动，而远离地球的恒星发出的光的波长会被拉长，或“红移”。

　　一个双星系统发出的光是由它的两个恒星组成的组合光输出，或“光谱”。如果恒星A正在远离地球，而恒星B正在靠近我们，或者相反，这些恒星的单个光谱可以通过它们的红移或蓝移来解析。随着对这一双星的观测继续进行，恒星沿着它们的轨道前进，这种情况将会逆转:当恒星A开始向地球移动时，它的光随之红移，当恒星B开始远离我们的星球时，它的光谱蓝移。

　　发现光谱双星很大程度上依赖于几个条件的满足。最重要的是，双星的轨道平面不能与我们的视线成直角，恒星也不能穿过视线，因为这会阻止多普勒频移的出现。

　　如果双星系统中的恒星质量较低，或者它们相距较远，因此轨道周期较长，从而降低了捕捉一颗远离我们的恒星和另一颗靠近我们的恒星的概率，那么发现光谱双星的机会就会减少。如果其中一颗恒星很暗，因此对系统发出的合成光贡献很小，那么看到光谱双星的几率也会降低。

　　尽管有这些障碍，大多数已知的双星系统都是通过多普勒频移被发现的。

　　食双星

　　有些恒星的亮度呈现周期性变化。这可能是在恒星改变其内在光输出时触发的，就像脉动变星的情况一样，或者可能是因为恒星是一个从侧面观察的双星系统，这意味着一颗恒星周期性地遮蔽另一颗恒星。这些被称为食双星。

　　食双星也可以归入前面提到的两个类别，它们经常靠得很近，以至于可以交换物质。

　　天体测量双星

　　除了改变光输出，双星系统中的伴星还会对它的伙伴产生影响。尽管这两颗恒星围绕着一个共同的质量中心运行，但是一颗看不见的恒星会被另一颗恒星吸引。这导致可见恒星的运动随着时间的推移出现周期性的“抖动”。对恒星运动和位置的精确测量被称为“天体测量”，因此以这种方式发现的双星被称为天体测量双星。

　　双星系统是如何演化的？

　　在詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的Wolf-Rayet 140周围，由双星相互作用产生的宇宙尘埃外壳看起来像树的年轮。(图片来源:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局、加空局、STScI、美国国家航空航天局-JPL、加州理工)

　　如上所述，在一些双星系统中，恒星靠得很近，以至于它们会交换物质。当一颗恒星的半径比恒星之间的轨道间距小不了多少时，就会发生这种质量转移。

　　根据“太阳和恒星介绍”，这可以通过几种方式进行一种叫做罗氏叶溢出的机制尤为重要。双星系统中的每颗恒星都被一个理论上的梨形体积所包围，这个体积被称为洛希叶，其大小由恒星的质量决定。当一颗施主星(通常是一颗巨星)填满它的洛希叶时，物质从它那里通过一个称为内拉格朗日点的引力稳定点流向吸积星——通常是白矮星或其他致密恒星残骸。当它进入施主星的洛希叶时，这种物质仍然有角状物质，因此它不能直接到达吸积者的表面。因此，它在接收恒星或吸积盘的一侧形成了一股气体和尘埃流，并从那里逐渐输送到吸积星的表面。

　　在接触双星中，两颗恒星都用质量更大的恒星填充了它们的罗氏叶，将物质发送给它较小的伴星，但也共享亮度和温度。

　　双星也可以交换物质，即使没有一颗星填满它的罗氏叶。这是通过恒星风吸积发生的，在这个过程中，吸积者捕获了从供体恒星吹来的恒星风，通常是巨大的恒星风。

　　恒星之间的质量交换可以对这些系统及其恒星成分的演化产生重大影响。例如，在一个有两个主序星的双星系统中，当质量较大的恒星耗尽核燃料，膨胀成一颗红巨星填充其罗氏叶时，它开始将物质转移到另一颗恒星。随着物质的转移，红巨星失去质量，导致其罗氏叶收缩，并推动质量转移进行得更快。

　　这可能会完全耗尽施主星的外层，使其成为暴露在外的氦星，从而成为白矮星或中子星。这导致了一个双星系统，有一个大的主序星和一个致密的恒星残骸。然而，这种情况不会永远存在。最终，在数百万年甚至数十亿年后，第二颗恒星也将进入红巨星阶段，填充自己的洛希叶，这导致它开始向白矮星或中子星伴侣发送物质。

　　由于这些恒星的密度令人难以置信，当物质落到它们身上时，它会释放出巨大的能量，从而引发致密恒星残骸表面的热核反应。在某些情况下，从红巨星到白矮星的物质吸积可以导致它爆发出Ia型超新星，或者可以推动它超过将其转化为中子星所需的质量极限。

　　双星系统有行星吗？

　　太阳系外的行星，或称系外行星，是围绕除太阳以外的恒星运行的行星。双星系统可以在稳定的轨道上拥有系外行星，其中一些更靠近双星中的一颗恒星，因此围绕这颗恒星旋转，就像地球围绕太阳旋转一样，这就是所谓的环星轨道。双星系统中的其他系外行星有更不寻常的轨道，环绕着该系统中的两颗恒星。以这种方式围绕整个双星系统运行的系外行星被称为拥有“环绕双星轨道”

　　发现的第一颗环双星是PSR B1620-26 b，它在1993年首次被暗示，并在2003年最终被证实存在。这颗行星的绕行轨道围绕一颗白矮星和一颗中子星运行，距离地球约12，400光年。这一奇特系统中恒星居住者的高级恒星进化状态意味着它被认为大约有120亿岁，这使得PSR B1620-26 b可能是迄今为止发现的最古老的系外行星，并以圣经中活到非常老的人的名字命名为玛土撒拉。

　　第一颗环绕双星的行星是在2011年发现的，这颗双星足够年轻，其核心仍在燃烧氢，即所谓的主序星。它被称为开普勒-16 b，围绕一颗比太阳小的主序星和一颗红矮星运行。

　　天文学家还不确定双星系统中的存在会如何影响行星的可居住性。2022年，研究人员研究了可居住的行星如何可能在双星系统中形成。研究小组专注于一对年轻的原恒星，它们仍在收集引发氢聚变所需的质量，并成为双星系统NGC 1333-IRAS2A中的真正恒星，他们发现可居住的行星可能出现在双星系统周围，但它们的出现方式与单星系统不同。这是因为年轻双星的复杂行为影响了它们周围称为原行星盘的行星形成物质的扁平云，通过周期性的能量爆发扭曲了这些盘。

　　更复杂的是计算一颗系外行星在双星系统中或周围的可居住区域。可居住区是恒星周围既不太热也不太冷的区域，不允许在轨道运行的行星表面存在液态水——因此它通常被称为适居带。对于双星系外行星来说，这是很难估计的，因为行星和恒星之间的距离不断变化——比围绕单个恒星的椭圆轨道上的行星更是如此。这意味着这些系外行星接收到的星光数量可能会有很大差异，因此它们的表面温度也可能不同。

　　在2007年进行的研究中，科学家得出结论，50%至60%的双星系统可以形成具备支持生命所需必要条件的行星。随着银河系挤满了1000亿个星系，潜在的许多行星可能在两个“太阳”的强光下存在生命，类似于《星球大战》中引人注目的虚构星球塔图因。