作者|趙經遠

審核|周文杰、孫國佑、張宓、高興

編輯|杜飛

星明發現快訊·

2024年6月20日11時左右，星明天文臺變星搜尋項目（VSSP）成員趙經遠同好在茨威基暫現源設施（ZTF）公開的歷史數據中發現了一顆奇特的變星，它位于編號為SH 2-241的星云的邊緣區域，按周期折疊后的ZTF r波段光變曲線（即相位圖）如下所示：

使用VStar軟件繪制的ZTF r波段相位圖

容易看出，該目標顯示出831天的周期性，每個周期中有約40%（332天）處于變暗階段，而在變暗階段的中心附近有一個凸起特征。

趙經遠檢查了國際變星索引數據庫（VSX）、VizieR和SIMBAD等天體數據庫，但不能查到該目標是變星的明確記載，因此它可能是一顆未知變星。但該目標周圍恒星較為密集，如果鄰近的恒星存在亮度變化，那么有可能會對該目標的光變曲線造成影響，于是趙經遠檢查了附近三顆恒星的光變曲線，卻發現它們都呈現波瀾不驚的水平狀，沒有任何明顯變化，這表明光變確實是該目標本身產生的。

由于其光變特征非常獨特，趙經遠立即將其分享至VSSP群內，孫國佑、張宓、周文杰等其他成員也表示“這是個奇葩的目標”、“好東西”。隨后各位成員紛紛猜測該目標可能屬于哪種變星類型，并推測亮度變化的原因。該系統的光變曲線與芻藁型變星（M）不符，排除；八百多天的周期太長，與武仙座AM型變星（AM）不符，排除；變暗部分占比太大[約40%，遠高于大陵型變星（EA）的上限]，變暗中心的凸起不易解釋，與EA型變星不符，排除……雖然變暗中心的凸起與太陽系內行星或衛星掩星形成的中心閃（central flash）非常相似，但長時間變暗和周期性光變顯然不可能由太陽系天體形成，而在遙遠的恒星系統中，系外行星或衛星難以造成如此強烈的中心閃。就這樣，能想到的變星類型和光變原因基本都被排除了。

太陽系內擁有大氣的行星或衛星掩食恒星的示意圖

來自恒星的光線從太空穿過大氣（或從大氣進入太空）時，周邊環境的密度發生變化，光線因此彎曲，產生匯聚作用，形成中心閃

圖像來源：ESA

隨后，趙經遠想起2022年曾看到過清華大學的一篇新聞報道，其中提到該校天文系祝偉副教授牽頭的國際團隊發現了兩個類似Kearns-Herbst 15D（縮寫為KH 15D，變星編號為麒麟座V582）的雙星系統，它們被星周盤（circumstellar disk）掩食，分別編號為Bernhard-1和Bernhard-2，這兩個系統的掩食占比非常大，與我們最新發現的這一目標有些相似。但趙經遠翻閱了相關論文并檢查了它們的光變曲線后發現，這兩個系統在掩食階段并沒有呈現凸起的特征，便沒再進一步探究。

當晚，周文杰同好進一步檢查了我們發現的這一目標，并表示想不出合適的分類，接下來他將其編號為VSSP J060413.69+300728.8，并以“*”這一類型（表示現有變星分類之外的類型）上報至VSX，待VSX管理員審核并批準。

Bernhard-1（左）和Bernhard-2（右）的光變數據

圖像來源：參考資料2

周文杰完成上報之后，李言蹊同好提問該目標奇特的光變是否可能由星周盤造成。在此提示下，周文杰也獨立找到了祝偉副教授團隊的論文，并表示這篇論文里發現的兩顆變星除了缺少變暗階段中心的凸起之外，光變曲線的其他特征與我們發現的目標有些相似。隨后周文杰向VSX的管理員Sebastián Otero先生去了一封郵件，向其說明雖然難以從現有變星分類中為VSSP J060413.69+300728.8找到合適的類型，但我們認為該目標有可能是被星周盤掩食的雙星系統，在某種意義上也屬于食變星（E）這一大類型，不過若將其分類為E可能并不夠貼切。

第二天一早，受聊天記錄啟發，趙經遠查詢了祝偉副教授團隊論文中提到的KH 15D的相位圖，頓時，一切都豁然開朗了。原來，KH 15D的掩食占比非常大（在約48天的光變周期中，有約20天處于掩食階段），而且它在特定時期的光變曲線與VSSP J060413.69+300728.8極為相似，掩食中心呈現明顯的增亮。

KH 15D的相位圖

圖像來源：Aleezah Ali/University of Washington

其他成員也表示VSSP J060413.69+300728.8和KH 15D非常相似，并認為獨特的光變曲線很可能是星周盤掩食雙星系統形成的。隨后，周文杰向Otero先生又發了一封郵件，說明了我們對VSSP J060413.69+300728.8的最新看法，并征詢他的意見。

之后的幾天里，Otero先生既沒有批準我們的提交，也沒有回復周文杰的來信，這讓我們可以趁此間隙了解關于KH 15D的歷史及其光變的成因。

KH 15D也被稱為眨眼星（winking star），關于它的發現可以追溯到1970年，當時前蘇聯天文學家H. Badalian和L. Erastova注意到它的亮度有所變化并將其歸類為不規則變星。1998年，美國維思大學天文學系William Herbst教授和他的學生Kristin Kearns獨立發現了這一變星，將其編號為Kearns-Herbst 15D（KH 15D），并指出它的光變非常特殊，值得進一步研究。2002年，Herbst教授的學生Catrina Hamilton進一步論證了這一變星的重要性，使其引起天文學界的廣泛關注。此后許多天文學家對KH 15D進行了深入研究，逐漸提出并完善了星周盤模型，其中美國普林斯頓大學天文學家Joshua Winn教授等人在2006年提出的模型大致如下圖所示，這一模型也能較好地解釋我們發現的VSSP J060413.69+300728.8的光變特征。

Joshua Winn等人的模型圖示

圖像來源：參考資料5

（a）如上圖所示，黑色部分代表雙星系統與地球之間的星周盤，白色部分代表雙星系統背后的星周盤，雙星系統中兩顆星周圍的灰色部分可能是由星周盤散射產生的暈（halo）。a圖中處于白色區域的恒星（暫且稱為A星，該星在后續圖中不一定處于白色區域）及其暈未被星周盤遮擋，處于黑色區域的恒星（暫且稱為B星，該星在后續圖中不一定處于黑色區域）及其暈完全被星周盤遮擋。

（b）星周盤開始遮擋A星的暈，該系統的亮度開始逐漸變暗。

（c）A星被遮住一半。

（d）A星被完全掩蔽，但它的暈仍露出一部分，該系統的亮度下降減緩。

（e）A星的暈被完全掩蔽，同時B星的暈開始逐漸露出，該系統的亮度達到最小值。

（f）B星露出星周盤的暈達到最大，在光變曲線中表現為掩食中心的增亮。

目前天文學家認為，KH 15D是一個雙星系統，在其周圍有一個星周盤，這一星周盤與雙星系統的軌道平面成一定角度，且會緩慢擺動，這使其每個周期的光變曲線并不完全相同。由于在星周盤中可能會形成行星，而且與其他擁有星周盤的恒星系統相比，KH 15D的軌道與亮度變化非常獨特，天文學家可以借此一窺星周盤的構造及演化，因此KH 15D被譽為理解行星形成的“羅塞塔石碑”，具有非常重要的意義。2008年，Herbst教授等人在Nature發表了一篇論文，指出KH 15D中的星周盤是由直徑約1毫米左右的顆粒組成的，而這些顆粒則是更小的塵埃在300萬年內逐漸凝聚的產物，這正是行星形成的第一步。

與雙星軌道平面成一定角度的星周盤藝術圖

圖像來源：清華大學新聞網

現在可以回到我們發現的VSSP J060413.69+300728.8了。6月28日下午，孫國佑注意到VSX網站出現了一批變星，它們的分類均含有E-DO這一從未見過的類型，他在查閱論文后了解到這是Eclipses by Disk Occultation的縮寫，是指因星周盤掩食而產生光變的天體。趙經遠隨后發現在這一批變星中，前文提到過的Bernhard-1、Bernhard-2和KH 15D赫然在列，并猜測Otero先生基本上認可我們對VSSP J060413.69+300728.8的看法，而我們提交的這一目標也即將被VSX收錄。

果不其然，周文杰很快收到了Otero先生的回信。Otero先生在信中表示他同意我們的判斷，并且剛剛特別創建了E-DO這一食變星的新類型，用于分類被星周盤掩食的變星，他要求我們將VSSP J060413.69+300728.8的分類也修改為這一類型。周文杰很快完成了該目標的修改，并將其重新提交給VSX。第二天凌晨，VSSP J060413.69+300728.8終于被批準通過，出現在VSX的頁面上。

VSX頁面。圖像來源：VSX

長久以來，食變星僅有大陵型變星（EA）、天琴座β型變星（EB）和大熊座W型變星（EW）三大類型，雖然天文學家已經發現了一些被星周盤掩食的變星，但并未給他們一個細致的分類。我們提交的VSSP J060413.69+300728.8促使VSX創建了E-DO這一全新的食變星類型，這不僅使類似的變星有了歸宿，而且使變星數量最多的食變星家族迎來了第四大類型，為變星研究開辟了新領域。

目前，VSX收錄了17顆E-DO型變星，其中大部分掩食占比都在20%以下，僅有KH 15D（在下圖中排序第9）、Bernhard-1（在下圖中排序第5）、Bernhard-2（在下圖中排序第10）、WL 4（在下圖中排序第12）和我們發現的VSSP J060413.69+300728.8（在下圖中排序第2）例外，這5個天體的掩食占比均不低于40%，其中僅有KH 15D和VSSP J060413.69+300728.8已經觀測到掩食中心的增亮現象，因此這兩個天體是非常獨特的。而且，VSSP J060413.69+300728.8的周期是KH 15D的近20倍，這意味著它的軌道、結構和動力學演化可能非常有趣，甚至會為行星形成提供新的見解。我們的這一發現也得到了KH 15D的發現者之一Herbst教授的高度評價：“這是三十年來，我看到的另一個KH 15D的最佳樣本！祝賀您們團隊的發現！”

VSX收錄的E-DO型食變星。圖像來源：VSX

由于KH 15D較亮，歷史數據比較豐富，甚至能回溯到上個世紀初，從大量數據分析并建模得到的星周盤模型不僅能完美地擬合歷史數據，還能對未來的亮度變化作出預測，而且預測結果與實際觀測結果也是比較相符的。那么對于我們發現的VSSP J060413.69+300728.8來說，除了星周盤之外是否可能有其他的解釋呢？由于VSSP J060413.69+300728.8較暗，只有ZTF r波段2000多天的觀測數據，而且掩食階段的數據較少、誤差很大，雖然目前傾向于它的光變也是由星周盤掩食造成的，但如果換一種思路，假設把遮擋物替換成與雙星系統沒有直接聯系的致密星際塵埃，從短期觀測效果上來說，這與星周盤的作用似乎是等效的，所以這種假設也是有可能的。也許只有等未來，觀測數據積累起來，我們才能對遮擋VSSP J060413.69+300728.8的物體的性質作出最合理的解釋。

參與了VSSP J060413.69+300728.8發現的有星明天文臺變星搜尋項目（VSSP）團隊成員趙經遠、周文杰、唐磊明、王書銘、李言蹊、陳卓揚、羅華、孫國佑、張宓、高興。特別感謝對這顆變星進行了討論的清華大學祝偉副教授、VSX管理員Sebastián Otero先生、維思大學William Herbst教授。

參考資料

1、天文系牽頭的國際團隊發現罕見雙星系統，清華大學新聞網，https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/96308.htm

2、Zhu, Wei, et al. Two Candidate KH 15D–like Systems from the Zwicky Transient Facility. The Astrophysical Journal Letters, Vol. 933, L21 (2022)

3、Kearns, Kristin E.; Herbst, William. Additional Periodic Variables in NGC 2264. The Astronomical Journal, Vol. 116, 261–265 (1998)

4、Wesleyan Astronomers Find Possible New Cradle for Planets，Wesleyan University Magazine，https://magazine.blogs.wesleyan.edu/2002/07/04/wesleyan-astronomers-find-possible-new-cradle-for-planets/

5、Winn, Joshua, et al. The Orbit and Occultations of KH 15D. The Astrophysical Journal, Vol. 644, 510–524 (2006)

6、Stephen Sawick，A Secret of the Stars Revealed，The New York Times，https://www.nytimes.com/2005/08/07/nyregion/nyregionspecial2/a-secret-of-the-stars-revealed.html

7、Dennis Overbye，What a Star’s Orbiting Disk Is Made Of，The New York Times，https://www.nytimes.com/2008/03/13/science/space/13winkw.html

8、Winking Star: First Step Of Earth-Like Planet Formation Observed，Science Daily，https://www.sciencedaily.com/releases/2008/03/080314163401.htm

9、Herbst, William, et al. Reflected light from sand grains in the terrestrial zone of a protoplanetary disk. Nature, Vol. 452, 194–197 (2008)

10、VSSP J060413.69+300728.8，VSX，https://www.aavso.org/vsx/index.php?view=detail.top&oid=2389495