相接双星

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第468页（3463字）

两子星光球表面位于洛希(Roche)模型的内外临界等势面之间的双星称谓相接双星。

目前，在银河系中已发现了大约六百颗相接双星。精确地测量子星的质量、半径和光度等基本天体物理量；观测分析它们的活动性；研究它们的演化阶段和能量转移机制；构造相接双星结构和演化的理论模型等是这一领域的基本研究内容。由于相接双星子星之间强而复杂的相互作用，这类天体近20多年来引起了广泛的研究兴趣。

1950年以前，普遍猜想大熊W型食变星应该是相接双星，且两子星质量相同。

因为只有这样，才能解释这类双星光变曲线在整个周期内连续变化和主次食深几乎相等的测光性质。1941年，古珀(Kuiper)根据洛希模型的几何性质预言不可能存在两子星质量不同的主序相接双星。

然而，50年代以来的观测却表明，大熊W型双星是主序星，且质量比的典型值是0．5。这一所谓古珀佯谬和光变佯谬令人十分困惑。60年代，依根(Eggen)发现大熊W型相接双星的周期同颜色之间在一定范围内存在确定的依赖关系。本宁迪吉克(Binnendijk)发现在大熊W型双星中存在着性质明显不同的A次型和W次型。随后的观测和分析表明，W次型有许多令人费解的性质，被称作W现象。同时还发现，大熊W型双星光变曲线的两个极大不对称即奥康内尔(O，Connell)效应。

70年代以来，用现代综合光变曲线法求食双星的测光轨道要素，从所得到的几何形态发现，在各种光谱型和光度型中均有相接双星存在。1968年，露希(Lucy)提出了第1个试图解释古珀佯谬和光变佯谬的大熊W型相接双星的结构模型。尽管他的理论有缺陷，但是他的等熵对流公共包层模型为接着出现的分析食双星测光解的综合光变曲线法奠定了理论基础，同时，也把相接双星的理论研究推向了高潮。70年代出现的关于相接双星结构理论的两个着名学派(TRO和TCO)，以及80年代以来关于能量转移机制的理论都没有超出对流公共包层的基本框架。

近年来，使用现代综合光变曲线法和交叉相关函数新技术测量了大约40颗相接双星的质量、半径和光度等基本参量。这些数据是检验理论模型的主要依据。

希尔迪契(Hilditch)使用新的资料分析了大熊W型相接双星的演化阶段，得到同以前的结果相似的结论：浅相接度W次型的主子星是零年龄主序星，深相接度A次型的主子星是主序终端星，并且W次型的次子星的半径比同质量主序星的半径大1．5倍，A次型的大3倍。次子星的这种超体积现象是核演化的结果，还是来自主子星影响的某种效应目前尚不清楚。随着相接双星观测精度的提高和被发现的数量的增加，合理的分类将有益于更加深入的研究。1990年，梁鉴澄根据公共光球的性质，把相接双星分成4类：(1)具有公共对流光球的晚型小质量相接双星(大熊W型)；(2)具有公共辐射光球的早型大质量相接双星；(3)由一个晚型小质量对流光球子星和一个早型大质量辐射光球子星组成的混合型相接双星；(4)具有很深的公共对流光球的超巨星相接双星。

一般的晚型相接双星的光球上可能有黑子活动。近年来发现的若干颗大熊W型双星(如TZBOO)的光球上肯定存在强烈的黑子活动。

否则无法解释它们古怪的光变(以几年的时标在A次型和W次型之间转变)。尽管大熊W型双星的反罗斯拜(Rossby)数很大，但是，色球和转移区的活动与同型单星的水平相近。不过，X－射线和射电波段观测表明，冕区活动水平比同型单星低得多。这可能意味着大熊W型相接双星没有磁环结构。

构造相接双星的结构模型至少要能解释古珀佯谬和光变佯谬。露西1968年的等熵对流公共包层模型很好地解释了这两个佯谬。然而，他的模型却不能解释周期－颜色关系。于是他修正了最初的模型，并形成以他为首的TRO学派。他们放松了露希最初提出的等熵约束并且假设两子星是非热平衡的。这就必然导致相接双星出现演化上的振荡行为，相接－断裂－相接循环不止。每一形态位相时标依赖于初始条件，典型值大约是1000万年。断裂形态的相接双星在观测上尚未发现，至少在数量上难以支持TRO。

同期，以舒(Shu)为首的DCO的学派提出另一结构模型。DCO假设在公共包层底部至少有一个子星的某些流体力学和热力学参量是不连续的。这就为拟合观测性质提供了更多的自由度。虽然这种假设在物理上很难被接受，但是DCO学派极力证明参量的不连续性是必然存在的。

且不管TRO和DCO各自的困难，它们都是建立在物质和角动量守恒基础上的静态结构模型。观测表明，大熊W型相接双星有大量的角动量损失。

1981年，莫契纳克(Mochnach)在TRO的结构框架下，考虑角动量损失，提出了新演化模型，后来发展成AML理论。这个理论能避免相接双星断裂形态的出现，能解释相接双星向小质量比演化的观测事实，并预言大熊W型双星将演化成单星。

构造相接双星结构和演化模型的主要困难是能量转移机制问题。第1个能量转移机制模型是黑兹莱赫斯特(Hazlehurst)1973年提出的。

他设想在公共包层内水平方向有一大尺度环流(也称作“横向对流”)，驱动力来自压力梯度。但这一理论很快就受到了批评，因为这种大尺度环流很容易被垂直方向的对流和科尔力所破坏。

1985年，黑兹来赫斯特又提出了一种新的能量转移机制——耗散机制。其基本思想是：能量转移发生在绝热层深处，当热载体元在两子星压力差驱动下从主子星移向次子星后，由于载体元的熵比它周围物质的熵大而上浮，直到次子星对流层顶部。在上浮过程中大部分热能变成机械能，最终由于流体阻力效应，这些机械能又转变成热能，从而增加了次子星的表面光度。

但是，1990年辛迦布(Sinjab)等利用这些思想进行数字模拟，得到的结果并不乐观。最近，周道琪和梁鉴澄证明，静态模型不可能而环流机制不可避免。他们提出了一个稳固环流模型。这个模型的优点是能够解释早型和晚型两类相接双星的情况。他们还试图用这个模型解释O’Connell效应。

但是，在进行数字模拟之前，还很难断定这个模型将会有怎样的命运。

至今，尚没有一个能较好解释晚型相接双星的W现象的理论模型。产能低的次子星的有效温度反而比主子星高，它们的奇特活动性可能正是真实的能量转移机制所导致的结果。观测表明这类双星肯定有较强的磁场，因此，精确地监测这类相接双星的活动，构造有磁场作用的新的理论模型可能是今后工作的目标之一。

另外，观测更多的超巨星相接双星，研究B情况和C情况质量交流的演化过程将会引起人们的重视。如果今后能解决测量相接双星大气化学元素丰度的技术难题，探讨相接双星子星间很强的相互作用对子星核演化的影响将是很有意义的。

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【参考文献】：

1 Kuiper G P. JAp,1941,93:133

2 EggenO J.Mem R A S,1967,70:111

3 Lucy LB.J. Ap,1968,151:1123

4 Binnendijk L. Vistas in Astronomy,1970,12:217

5 Lucy L B.J Ap, 1976,205:208

6 Shu F，Lubow S H,Anderson L. J Ap,1976,229:223

7 Hazlehurst J. Astron Astrophys,1985,145:25

8 Mochnacki R. Interacting Binaries. Dordrecht: D. Reidel,1985,51～82

9 Hilditch R W, King D J, Mcfarlane T M. M N R A S, 1988,231:341

(中国科学院云南天文台刘清耀副研究员撰)