成果背景介绍
搜寻与证认致密天体，是解锁恒星演化终局、解析双星相互作用机制、探索中子星与黑洞形成规律的核心环节，而精确测量双星系统中致密天体的质量，则是证认潜在中子星或黑洞的关键一步。在双星轨道动力学框架下，不可见伴星的质量可通过质量函数、轨道倾角和可见星质量进行测量。其中，可见星质量可通过恒星演化模型、光谱型-光度关系等手段较可靠地估计。相比之下，限定轨道倾角是测量不可见伴星质量的核心瓶颈。此前，研究团队基于LAMOST DR10中分辨率光谱数据，识别出89个致密天体候选体，并完成质量函数测量。然而，由于缺乏轨道倾角信息，这些系统中的不可见伴星质量仍缺乏可靠测量。因此，如何精确测量轨道倾角，成为进一步证认这些致密天体的关键问题。
目前，测量轨道倾角主要通过以下两种方法：一是对光变曲线中的椭球调制信号进行建模分析，二是利用中高分辨率光谱测量恒星的投影自转展宽Vsini。光变曲线建模方法虽应用普遍，但易受恒星黑子活动、恒星脉动以及临边昏暗系数不确定性等多种因素影响，对于缺乏明显椭球调制信号的系统往往难以适用。相比之下，依托中高分辨率光谱开展的自转展宽测量，能够有效降低光变畸变与恒星活动带来的干扰，适合为潮汐锁定的短轨道周期系统提供更为可靠的轨道倾角约束。在短轨道周期的密近双星中，利用轨道周期与自转周期相同的特征，结合可见星的半径R2和轨道周期Porb便可以得到自转速度，即V=2πR2/Porb。因此，测量恒星的投影自转展宽Vsini，再结合自转速度V，就能获得双星系统的轨道倾角。
该项研究的样本选自前期已识别的89个致密天体候选体。为进一步估算致密天体质量，研究团队对样本中目标天体的轨道倾角进行了约束与估算。由于多数候选体的光变曲线并不呈现典型的椭球调制特征，传统的光变曲线建模方法难以可靠地测定其轨道倾角。值得注意的是，这些系统中的可见恒星具有较大的洛希瓣填充因子（＞0.6）和较短轨道周期（＜ 3天）。基于这些特征，研究团队认为这些系统内的潮汐作用较强，进而合理推测系统已达到潮汐锁定。在此基础上，研究团队最终选择通过测量恒星的投影自转展宽来估算部分候选体的轨道倾角，从而测量双星中致密天体的质量。
揭示致密天体候选体中隐匿伴星的质量
在已识别的89个致密天体候选体中，研究人员首先筛选出适合开展自转展宽测量的系统。结合前期工作获得的质量函数结果，研究人员优先剔除了质量函数较小的系统。随后，研究人员依据短轨道周期密近双星的潮汐锁定这一特征，对系统中可见恒星的自转速度进行估计。如图1所示，红色圆点标记出的8个系统均具有较快的恒星自转速度，并拥有高质量的LAMOST中分辨率光谱，因此被选为该项研究的重点目标。此外，两个已证认的致密天体双星系统J2354和J1729也被纳入最终样本。针对最终样本中的10个候选体，研究人员通过分析LAMOST DR11中分辨率光谱数据，获得了可见恒星的投影自转展宽Vsini。结合光谱能量分布拟合得到的可见星半径和已知的轨道周期，可获取候选双星的轨道倾角。在此基础上再结合质量函数以及恒星演化模型给出的可见星质量，最终有效测量了不可见伴星的质量。
图1：研究人员利用潮汐锁定的特征，筛选出可见恒星的自转速度较大的密近双星系统，即V > 60 km/s的虚线上方的目标。蓝色圆点表示光谱信噪比较差的目标，红色三角形表示双线谱双星，红色圆点表示8个最终样本源。J2354、J1729和J0419是3个已被证认的含有致密天体的双星系统。
图2呈现了样本中不可见伴星质量（M1）与可见星质量（M2）的分布情况，直观反映了部分系统中隐藏着高质量致密天体的可能性。研究人员对其中6个质量比（M1/M2）较大的系统开展了光谱拆解分析。结果发现，仅J0117能够识别出双恒星的光谱成分，而其余5个候选体的光谱都呈现单一恒星的光谱成分，未检测到伴星的光谱特征。该结果为这5个候选体的不可见伴星属于致密天体提供了关键佐证。其中，J2354是此前已被证认的中子星候选体，现研究结果与此前发表的论文结论一致。尤为值得关注的是J0341和J0359两个系统：二者不可见伴星的质量分别为1.39±0.10 M☉和1.34±0.09 M☉，极有可能是中子星或接近钱德拉塞卡极限的大质量白矮星。如果其不可见伴星为白矮星，则这两个系统很可能是Ia型超新星的潜在前身系统；若为中子星，则在未来发生物质转移后，有望演化为X射线双星系统。
图2：样本的可见星质量（M2）与不可见伴星质量（M1）关系图。
该研究表明，基于投影自转展宽的测量方法，在限定双星轨道倾角，进而测量其中的致密天体质量方面具有重要潜力。该工作成功识别了两个可能包含中子星或大质量白矮星的候选系统。随着未来大规模时域巡天与光谱巡天数据的不断积累，该方法有望应用于更多致密双星系统，为测量致密天体的质量、揭示其形成与演化过程提供关键的观测依据。
相关论文以“Weighing Hidden Companions of Compact Object Candidates via Rotational Broadening”为题，已发表在天文学术期刊《天文学杂志》（AJ）上。第一作者为厦门大学天文学系王瑞博士研究生，共同通讯作者为厦门大学顾为民教授和泉州师范学院张志翔博士。