揭秘钻石星球

钻石行星是近日大热的一条新闻，说是澳大利亚天文学家Matthew Bailes率领的小组发现了一颗碳晶星球。其实个人看来，各报道基本是有偷换概念的嫌疑。碳元素的晶体就等于钻石么？显然不是。身边的例子就是碳的各种同素异形体，如石墨和六方金刚石（Lonsdaleite）等，更不要提的是这颗行星似乎源自致密星，不应与常规物质混为一谈。与媒体大肆渲染的巨型钻石相比，原始论文却将注意力放在了另一个方面：碳晶星球的演化轨迹。
Bailes等人研究的背景是毫秒脉冲星。超新星爆发留下的中子星起先都具有较高的自转频率，接下来的情况取决于星体所处的环境：如果是在单星系统中，强磁场会很快让星体制动，年老的中子星因为自转频率过低，是无法发出脉冲辐射的。但是如果中子星形成于双星系统，对伴星物质的吸积会让自转加速，这是毫秒脉冲星公认的形成机理。事实上，当前已知的毫秒脉冲星多半也确实是在双星之中发现的。
吸积的另一项产物是中子星减少的磁场，从诞生时的1012高斯典型值降低到了108高斯。吸积过程终结之后，伴星则会以小质量白矮星的面目示人。这一过程尚未被人完全了解，因此其中存在很多疑难，这里一个重要的问题就是如何解释部分毫秒脉冲星并无伴星。有说法怀疑这类孤立的毫秒脉冲星起源于大质量白矮星与中子星的并合，不过这不是定论。另一个疑难是毫秒脉冲星PSR B1257-12周围行星的形成，确切地说是形成行星的物质盘起源，相关的说法更是五花八门，从双星系统剧变到超新星物质回落皆有。
新发现的主角——脉冲星系统PSR J1719-1438则为这个问题带来了一些线索。这颗脉冲星是在澳大利亚Parkes射电望远镜进行高时间分辨率巡天时发现的，位于巨蛇座，距离地球大约4000光年，自转周期5.7毫秒。随后利用洛威尔76米射电望远镜进行的研究表明，该脉冲星拥有一个轨道周期为2.17小时的伴星，它的部分轨道根数也通过时间观测确定了出来。

毫秒脉冲星系统PSR J1719-1438的艺术图（图片提供：Swinburne Astronomy Productions, Swinburne University of Technology）

利用已知的轨道根数，小组成员假设脉冲星本身的质量是太阳的1.4倍（这是中子星质量的典型值），且伴星轨道侧向地球（随后使用凯克望远镜的后续观测也基本排除了小轨道倾角的可能性），伴星的质量则与木星相当。再根据开普勒定律以及系统中洛希瓣的大小，可以给出伴星尺度的上限，在倾角90度的情况下，这一数字只及木星的一半还不到。由此求出的伴星密度是每立方厘米23克，比一般物质要致密许多。作为比较，一般气态行星的平均密度只有每立方厘米2克，而钻石的密度也只是每立方厘米3.5克左右。在这里需要特别指出的是，虽然伴星真正的质量与大小取决于脉冲星系统的轨道倾角，其密度却与倾角无关。

PSR J1719-1438对应位置的R波段影象，假设该双星的轨道正向地球，可以求出观测到的理论亮度，因此在对应星等上没有探测到任何东西基本也就排除了轨道正向的可能性。（图片来源：Bailes et al. 2011）

这样PSR J1719-1438的伴星身份就成了疑难，普通的气体行星不能满足观测数据的限制，氦白矮星将将能符合要求，最有可能的则是以碳为主的白矮星。换句话说，这颗行星级尺度的伴星几乎可以确定为致密星，而它的前身就应该是让年老的脉冲星焕发青春的恒星。这样的密近中子星系统也不是没有先例，比如低质量X射线双星XTE J0929-314就是一个。
对XTE J0929-314等密近系统的观测表明，其伴星质量偏大，且存在氧、氖等重元素，不大可能是氦白矮星。这样的双星随着时间的推移，白矮星伴星的物质会逐渐转移到中子星上，自己的质量则逐渐减少，体积膨胀，轨道半径也随之增加。PSR J1719-1438应该就是经此途径演化而来。由于碳白矮星更符合理论和观测，因此其伴星基本被定性。考虑其质量和体积，伴星内部必然在较大的压力作用下结晶，这也是很多人将其视为钻石的理由，其实其上的物质形态与日常所说的钻石并不是一回事。
那么为什么有的毫秒脉冲星是处于双星之中，有的是单星，而有的则具有行星级的伴星？研究小组认为，这是由吸积过程中伴星的轨道周期和质量决定的，轨道半径比较大的巨星可能会留下质量较大的白矮星，对应毫秒脉冲星的自转周期也比较长；与主星靠得过近的伴星则基本会面临瓦解的命运，只留下单独的脉冲星。如果要形成PSR J1719-1438这样的组合，首先前身天体的轨道必须先由于引力波辐射导致的能量损失收紧，形成致密双星，然后伴星的质量又不能过大，能够满足要求的双星理应较少。