作者|趙經(jīng)遠

審核|周文杰、孫國佑、張宓、高興

編輯|杜飛

星明發(fā)現(xiàn)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(jīng)遠同好在茨威基暫現(xiàn)源設施（ZTF）公開的歷史數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一顆奇特的變星，它位于編號為SH 2-241的星云的邊緣區(qū)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(jīng)遠檢查了國際變星索引數(shù)據(jù)庫（VSX）、VizieR和SIMBAD等天體數(shù)據(jù)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(jīng)遠檢查了附近三顆恒星的光變曲線，卻發(fā)現(xiàn)它們都呈現(xiàn)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(chǎn)生的。

由于其光變特征非常獨特，趙經(jīng)遠立即將其分享至VSSP群內(nèi)，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(tǒng)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(nèi)行星或衛(wèi)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(tǒng)中，系外行星或衛(wèi)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(nèi)擁有大氣的行星或衛(wèi)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(huán)境的密度發(fā)生變化，光線因此彎曲，產(chǎn)生匯聚作用，形成中心閃

圖像來源：ESA

隨后，趙經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)的掩食占比非常大，與我們最新發(fā)現(xiàn)的這一目標有些相似。但趙經(jīng)遠翻閱了相關論文并檢查了它們的光變曲線后發(fā)現(xiàn)，這兩個系統(tǒng)在掩食階段并沒有呈現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)

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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)，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(fā)，趙經(jīng)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(xiàn)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(tǒng)形成的。隨后，周文杰向Otero先生又發(fā)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(fā)現(xiàn)可以追溯到1970年，當時前蘇聯(lián)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(guī)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)與地球之間的星周盤，白色部分代表雙星系統(tǒng)背后的星周盤，雙星系統(tǒng)中兩顆星周圍的灰色部分可能是由星周盤散射產(chǎn)生的暈（halo）。a圖中處于白色區(qū)域的恒星（暫且稱為A星，該星在后續(xù)圖中不一定處于白色區(qū)域）及其暈未被星周盤遮擋，處于黑色區(qū)域的恒星（暫且稱為B星，該星在后續(xù)圖中不一定處于黑色區(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)，在其周圍有一個星周盤，這一星周盤與雙星系統(tǒng)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(tǒng)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(gòu)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(fā)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(nèi)逐漸凝聚的產(chǎn)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(wǎng)

現(xiàn)在可以回到我們發(fā)現(xiàn)的VSSP J060413.69+300728.8了。6月28日下午，孫國佑注意到VSX網(wǎng)站出現(xiàn)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(chǎn)生光變的天體。趙經(jīng)遠隨后發(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(jīng)觀測到掩食中心的增亮現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)也得到了KH 15D的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)！”

VSX收錄的E-DO型食變星。圖像來源：VSX

由于KH 15D較亮，歷史數(shù)據(jù)比較豐富，甚至能回溯到上個世紀初，從大量數(shù)據(jù)分析并建模得到的星周盤模型不僅能完美地擬合歷史數(shù)據(jù)，還能對未來的亮度變化作出預測，而且預測結(jié)果與實際觀測結(jié)果也是比較相符的。那么對于我們發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)，而且掩食階段的數(shù)據(jù)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(tǒng)沒有直接聯(lián)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(shù)據(jù)積累起來，我們才能對遮擋VSSP J060413.69+300728.8的物體的性質(zhì)作出最合理的解釋。

參與了VSSP J060413.69+300728.8發(fā)現(xiàn)的有星明天文臺變星搜尋項目（VSSP）團隊成員趙經(jīng)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(fā)現(xiàn)罕見雙星系統(tǒng)，清華大學新聞網(wǎng)，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