研究背景介绍

天文学家研究表明，银河系内约半数以上的恒星存在于双星系统或多星系统中。其中，食双星（Eclipsing Binary）是指双星在相互绕转轨道时彼此掩食造成光度发生周期性变化的系统（如图1所示）。此类系统的光变曲线蕴含双星轨道参数与恒星结构信息，可以精确测定其双星中的每颗恒星的质量和半径，因此成为了获得准确恒星参数的主要目标。  部分食双星表现出极端的光变特征，包括明显的亮度变化和极端的掩食结构等。这些独特的观测特征通常暗示了双星系统存在的极端物理性质，如极端的温度比和伴星显著膨胀的半径等，这些现象可能与其演化过程或物质转移密切相关。研究这类系统，例如Algol型双星系统，可以用于校准恒星演化模型、研究双星中的恒星活动、双星物质转移过程，以及研究物质转移后的恒星等。

图1：图片展示了Algol型食双星互相绕转轨道而彼此掩食造成亮度发生周期性变化的过程。图片来自Astropical Space。

LAMOST与ZTF联合，筛选出独特样本

郭守敬望远镜（LAMOST）时域光谱巡天积累了大量的光谱数据，结合Zwicky Transient Facility（ZTF）提供的长期光变数据，极大地提升了对极端光变食双星的发现与研究能力。利用欧洲空间局盖亚天文卫星（Gaia）提供的视差测距数据，结合光谱与光变数据的联合拟合，研究者可以更加精确地约束双星系统的基本物理参数。本研究提出了基于极端光变特征的筛选条件：一是两次掩食深度比大于20，二是光变振幅大于0.3 星等。与此同时，要求光谱中存在H-alpha发射线。这些标准旨在识别出具有显著温度差异且正处于物质转移阶段的双星系统。根据这些判据，研究人员成功构建了一个包含有23个食双星系统的样本，进一步的研究发现该样本中的双星系统表现出惊人的相似性，最终确认这些食双星均为演化较晚期的Algol型双星系统。

图2：样本中的一个双星系统J0039的SED、光谱和光变曲线联合拟合结果。

“三重”拟合探究双星精准物理参数

传统的单一数据分析容易受到参数简并性的影响，从而导致双星系统参数的约束出现系统性偏差。本研究突破了单一维度拟合的局限，构建了基于三种数据类型的联合拟合方法，包括光谱匹配和能量分布（SED）拟合、ZTF和TESS光变曲线建模以及Gaia DR3提供的天体测量距离约束。通过采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法进行恒星参数的计算，最终更精准地得到了双星系统的基本物理参数。图2展示了样本中的一个双星系统J0039的联合拟合结果。  对整个样本的拟合结果表明，这些双星系统均由一颗低光度、高度剥离的亚巨星（伴星）和一颗正在吸积伴星的A型星（主星）组成。样本中的双星系统表现出较小质量的伴星演化明显快于质量较大的主星，符合经典的Algol型双星系统的演化特征。整个样本的轨道周期分布在2.57至19.21天之间。伴星的半径范围为2.5至8.9倍太阳半径，有效温度约为4000 K，典型质量约为0.3倍太阳质量，表明其经历了显著的质量损失。光变曲线中呈现的椭圆调制变化和光谱中H-alpha发射线的存在，进一步为持续的物质转移过程提供了强有力的证据。

深度分析样本的特殊性

本研究从“颜色-星等”图（Color-Magnitude Diagram）、发射线特征、脉动分析以及白矮星质量-周期关系图等多个方面，对样本中的双星系统的性质进行了全面分析，揭示了其在物理性质上的特殊性。  在“颜色-星等”图上，主星似乎遵循主序星的位置。然而，大多数样本中主星的光度明显低于质量-光度关系所预期的值。该发现支持理论上的预言：从伴星获取大量质量的恒星会经历一个低光度阶段，尚未完全恢复至主序状态。在发射线特征上，样本中的所有双星系统均表现出显著的H-alpha发射线，表明在物质转移过程中A型星周围形成了吸积盘。此样本中的H-alpha发射线轮廓涵盖了Algol型双星的四种基本轮廓类型，其与轨道周期的关系与前人研究结果一致，进一步验证了该经验关系的可靠性。在脉动分析中，有18颗主星位于Delta Scuti脉动不稳定带内，其中有两颗同时处于Delta Scuti与Gamma Doradus脉动不稳定带内。光变曲线分析显示，其中3颗主星表现出明显的脉动特征，脉动周期从18分钟至8小时不等。这些具有脉动特性的Algol型系统为星震学和恒星演化研究提供了重要样本。在白矮星质量-周期关系图上，有6个伴星的质量基本符合白矮星质量-周期关系的预测，表明它们已进入质量转移的末期。其余的伴星质量仍然偏高，可能仍处于质量转移的早期或中期阶段。

总体而言，该样本不仅反映了Algol型双星系统物理性质的多样性，还通过更精确的拟合方法确定了双星各成分的物理参数，为理解低质量吸积双星的演化提供了重要的观测样本。

研究论文

该研究工作已被国际天文学期刊The Astrophysical Journal接受发表，文章题为“A Sample of Extreme Eclipsing Binaries with Accretion Disks from LAMOST and ZTF”。该研究论文的第一作者为厦门大学天文学系博士生庄江欣欣，共同通讯作者是厦门大学天文学系顾为民教授和张志翔博士。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

文章预印本链接：https://arxiv.org/abs/2504.10818