星明天文台VSSP项目发现一颗独特变星

作者|赵经远

审核|周文杰、孙国佑、张宓、高兴

编辑|杜飞

星明发现快讯·

2024年6月20日11时左右，星明天文台变星搜寻项目（VSSP）成员赵经远同好在茨威基暂现源设施（ZTF）公开的历史数据中发现了一颗奇特的变星，它位于编号为SH 2-241的星云的边缘区域，按周期折叠后的ZTF r波段光变曲线（即相位图）如下所示：

使用VStar软件绘制的ZTF r波段相位图

容易看出，该目标显示出831天的周期性，每个周期中有约40%（332天）处于变暗阶段，而在变暗阶段的中心附近有一个凸起特征。

赵经远检查了国际变星索引数据库（VSX）、VizieR和SIMBAD等天体数据库，但不能查到该目标是变星的明确记载，因此它可能是一颗未知变星。但该目标周围恒星较为密集，如果邻近的恒星存在亮度变化，那么有可能会对该目标的光变曲线造成影响，于是赵经远检查了附近三颗恒星的光变曲线，却发现它们都呈现波澜不惊的水平状，没有任何明显变化，这表明光变确实是该目标本身产生的。

由于其光变特征非常独特，赵经远立即将其分享至VSSP群内，孙国佑、张宓、周文杰等其他成员也表示“这是个奇葩的目标”、“好东西”。随后各位成员纷纷猜测该目标可能属于哪种变星类型，并推测亮度变化的原因。该系统的光变曲线与刍藁型变星（M）不符，排除；八百多天的周期太长，与武仙座AM型变星（AM）不符，排除；变暗部分占比太大[约40%，远高于大陵型变星（EA）的上限]，变暗中心的凸起不易解释，与EA型变星不符，排除……虽然变暗中心的凸起与太阳系内行星或卫星掩星形成的中心闪（central flash）非常相似，但长时间变暗和周期性光变显然不可能由太阳系天体形成，而在遥远的恒星系统中，系外行星或卫星难以造成如此强烈的中心闪。就这样，能想到的变星类型和光变原因基本都被排除了。

太阳系内拥有大气的行星或卫星掩食恒星的示意图

来自恒星的光线从太空穿过大气（或从大气进入太空）时，周边环境的密度发生变化，光线因此弯曲，产生汇聚作用，形成中心闪

图像来源：ESA

随后，赵经远想起2022年曾看到过清华大学的一篇新闻报道，其中提到该校天文系祝伟副教授牵头的国际团队发现了两个类似Kearns-Herbst 15D（缩写为KH 15D，变星编号为麒麟座V582）的双星系统，它们被星周盘（circumstellar disk）掩食，分别编号为Bernhard-1和Bernhard-2，这两个系统的掩食占比非常大，与我们最新发现的这一目标有些相似。但赵经远翻阅了相关论文并检查了它们的光变曲线后发现，这两个系统在掩食阶段并没有呈现凸起的特征，便没再进一步探究。

当晚，周文杰同好进一步检查了我们发现的这一目标，并表示想不出合适的分类，接下来他将其编号为VSSP J060413.69+300728.8，并以“*”这一类型（表示现有变星分类之外的类型）上报至VSX，待VSX管理员审核并批准。

Bernhard-1（左）和Bernhard-2（右）的光变数据

图像来源：参考资料2

周文杰完成上报之后，李言蹊同好提问该目标奇特的光变是否可能由星周盘造成。在此提示下，周文杰也独立找到了祝伟副教授团队的论文，并表示这篇论文里发现的两颗变星除了缺少变暗阶段中心的凸起之外，光变曲线的其他特征与我们发现的目标有些相似。随后周文杰向VSX的管理员Sebastián Otero先生去了一封邮件，向其说明虽然难以从现有变星分类中为VSSP J060413.69+300728.8找到合适的类型，但我们认为该目标有可能是被星周盘掩食的双星系统，在某种意义上也属于食变星（E）这一大类型，不过若将其分类为E可能并不够贴切。

第二天一早，受聊天记录启发，赵经远查询了祝伟副教授团队论文中提到的KH 15D的相位图，顿时，一切都豁然开朗了。原来，KH 15D的掩食占比非常大（在约48天的光变周期中，有约20天处于掩食阶段），而且它在特定时期的光变曲线与VSSP J060413.69+300728.8极为相似，掩食中心呈现明显的增亮。

KH 15D的相位图

图像来源：Aleezah Ali/University of Washington

其他成员也表示VSSP J060413.69+300728.8和KH 15D非常相似，并认为独特的光变曲线很可能是星周盘掩食双星系统形成的。随后，周文杰向Otero先生又发了一封邮件，说明了我们对VSSP J060413.69+300728.8的最新看法，并征询他的意见。

之后的几天里，Otero先生既没有批准我们的提交，也没有回复周文杰的来信，这让我们可以趁此间隙了解关于KH 15D的历史及其光变的成因。

KH 15D也被称为眨眼星（winking star），关于它的发现可以追溯到1970年，当时前苏联天文学家H. Badalian和L. Erastova注意到它的亮度有所变化并将其归类为不规则变星。1998年，美国维思大学天文学系William Herbst教授和他的学生Kristin Kearns独立发现了这一变星，将其编号为Kearns-Herbst 15D（KH 15D），并指出它的光变非常特殊，值得进一步研究。2002年，Herbst教授的学生Catrina Hamilton进一步论证了这一变星的重要性，使其引起天文学界的广泛关注。此后许多天文学家对KH 15D进行了深入研究，逐渐提出并完善了星周盘模型，其中美国普林斯顿大学天文学家Joshua Winn教授等人在2006年提出的模型大致如下图所示，这一模型也能较好地解释我们发现的VSSP J060413.69+300728.8的光变特征。

Joshua Winn等人的模型图示

图像来源：参考资料5

（a）如上图所示，黑色部分代表双星系统与地球之间的星周盘，白色部分代表双星系统背后的星周盘，双星系统中两颗星周围的灰色部分可能是由星周盘散射产生的晕（halo）。a图中处于白色区域的恒星（暂且称为A星，该星在后续图中不一定处于白色区域）及其晕未被星周盘遮挡，处于黑色区域的恒星（暂且称为B星，该星在后续图中不一定处于黑色区域）及其晕完全被星周盘遮挡。

（b）星周盘开始遮挡A星的晕，该系统的亮度开始逐渐变暗。

（c）A星被遮住一半。

（d）A星被完全掩蔽，但它的晕仍露出一部分，该系统的亮度下降减缓。

（e）A星的晕被完全掩蔽，同时B星的晕开始逐渐露出，该系统的亮度达到最小值。

（f）B星露出星周盘的晕达到最大，在光变曲线中表现为掩食中心的增亮。

目前天文学家认为，KH 15D是一个双星系统，在其周围有一个星周盘，这一星周盘与双星系统的轨道平面成一定角度，且会缓慢摆动，这使其每个周期的光变曲线并不完全相同。由于在星周盘中可能会形成行星，而且与其他拥有星周盘的恒星系统相比，KH 15D的轨道与亮度变化非常独特，天文学家可以借此一窥星周盘的构造及演化，因此KH 15D被誉为理解行星形成的“罗塞塔石碑”，具有非常重要的意义。2008年，Herbst教授等人在Nature发表了一篇论文，指出KH 15D中的星周盘是由直径约1毫米左右的颗粒组成的，而这些颗粒则是更小的尘埃在300万年内逐渐凝聚的产物，这正是行星形成的第一步。

与双星轨道平面成一定角度的星周盘艺术图

图像来源：清华大学新闻网

现在可以回到我们发现的VSSP J060413.69+300728.8了。6月28日下午，孙国佑注意到VSX网站出现了一批变星，它们的分类均含有E-DO这一从未见过的类型，他在查阅论文后了解到这是Eclipses by Disk Occultation的缩写，是指因星周盘掩食而产生光变的天体。赵经远随后发现在这一批变星中，前文提到过的Bernhard-1、Bernhard-2和KH 15D赫然在列，并猜测Otero先生基本上认可我们对VSSP J060413.69+300728.8的看法，而我们提交的这一目标也即将被VSX收录。

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们的判断，并且刚刚特别创建了E-DO这一食变星的新类型，用于分类被星周盘掩食的变星，他要求我们将VSSP J060413.69+300728.8的分类也修改为这一类型。周文杰很快完成了该目标的修改，并将其重新提交给VSX。第二天凌晨，VSSP J060413.69+300728.8终于被批准通过，出现在VSX的页面上。

VSX页面。图像来源：VSX

长久以来，食变星仅有大陵型变星（EA）、天琴座β型变星（EB）和大熊座W型变星（EW）三大类型，虽然天文学家已经发现了一些被星周盘掩食的变星，但并未给他们一个细致的分类。我们提交的VSSP J060413.69+300728.8促使VSX创建了E-DO这一全新的食变星类型，这不仅使类似的变星有了归宿，而且使变星数量最多的食变星家族迎来了第四大类型，为变星研究开辟了新领域。

目前，VSX收录了17颗E-DO型变星，其中大部分掩食占比都在20%以下，仅有KH 15D（在下图中排序第9）、Bernhard-1（在下图中排序第5）、Bernhard-2（在下图中排序第10）、WL 4（在下图中排序第12）和我们发现的VSSP J060413.69+300728.8（在下图中排序第2）例外，这5个天体的掩食占比均不低于40%，其中仅有KH 15D和VSSP J060413.69+300728.8已经观测到掩食中心的增亮现象，因此这两个天体是非常独特的。而且，VSSP J060413.69+300728.8的周期是KH 15D的近20倍，这意味着它的轨道、结构和动力学演化可能非常有趣，甚至会为行星形成提供新的见解。我们的这一发现也得到了KH 15D的发现者之一Herbst教授的高度评价：“这是三十年来，我看到的另一个KH 15D的最佳样本！祝贺您们团队的发现！”

VSX收录的E-DO型食变星。图像来源：VSX

由于KH 15D较亮，历史数据比较丰富，甚至能回溯到上个世纪初，从大量数据分析并建模得到的星周盘模型不仅能完美地拟合历史数据，还能对未来的亮度变化作出预测，而且预测结果与实际观测结果也是比较相符的。那么对于我们发现的VSSP J060413.69+300728.8来说，除了星周盘之外是否可能有其他的解释呢？由于VSSP J060413.69+300728.8较暗，只有ZTF r波段2000多天的观测数据，而且掩食阶段的数据较少、误差很大，虽然目前倾向于它的光变也是由星周盘掩食造成的，但如果换一种思路，假设把遮挡物替换成与双星系统没有直接联系的致密星际尘埃，从短期观测效果上来说，这与星周盘的作用似乎是等效的，所以这种假设也是有可能的。也许只有等未来，观测数据积累起来，我们才能对遮挡VSSP J060413.69+300728.8的物体的性质作出最合理的解释。

参与了VSSP J060413.69+300728.8发现的有星明天文台变星搜寻项目（VSSP）团队成员赵经远、周文杰、唐磊明、王书铭、李言蹊、陈卓扬、罗华、孙国佑、张宓、高兴。特别感谢对这颗变星进行了讨论的清华大学祝伟副教授、VSX管理员Sebastián Otero先生、维思大学William Herbst教授。

参考资料

1、天文系牵头的国际团队发现罕见双星系统，清华大学新闻网，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