研究背景

2024 年，张佳畅等人利用 Chandra 望远镜在仙女座星系（M31）发现一颗 X 射线点源，其光变呈现约 465 秒的显著周期，但其物理本质未明。若这一信号对应于双星系统的轨道周期，那么它将成为目前所知轨道周期最短的 X 射线双星，并可能是首个河外超紧致 X 射线双星（ultra-compact X-ray binary, UCXB）。鉴于这一发现可能带来的重大科学突破，我们在本工作中对该源开展了详细的理论与观测分析。

超紧致X射线双星（ultra-compact X-ray binaries, UCXBs）是一种贫氢的双星系统，轨道周期通常低于80分钟。这类系统中的两颗天体距离极近，间距可低于太阳半径。UCXB由一个恒星级黑洞（BH）或中子星（NS）与一个白矮星（WD）或氦星（He star）构成，黑洞或中子星通过吸积伴星中的物质产生X射线辐射。这类系统是双星系统演化到末期的产物，对研究致密天体的演化和未来的低频引力波探测具有重要价值。

目前已被确认的UCXB系统约20个，均位于银河系内，此前尚未在银河系外发现过这类系统。其中，轨道周期最短的源为4U 1820-303，为685秒，由Stella等人于1987年报道。2024年张佳畅等人使用Chandra望远镜的数据，于仙女座星系（M31）中发现了一个光变周期约为465秒的X射线点源。如果该信号来自于双星系统的轨道周期，那么它将打破4U 1820-303保持了30多年的“最短”记录。由于它是M31中的首个UCXB候选体，我们将其命名为M31 UCXB-1。

对M31 UCXB-1的观测和理论研究

本工作中，我们使用时间分辨率更好的XMM-Newton望远镜数据，对该源的周期性信号进行了重新测量。我们认为，白矮星在轨道运动中对吸积盘产生周期性遮挡，形成了周期性的X射线信号，如图1所示。

图1. 周期性信号示意图。来自原文图3。

对于轨道周期低于40分钟的UCXB，其紧致的轨道往往只能容纳体积较小的伴星——白矮星。因此如果M31 UCXB-1的轨道周期为465秒，那么它的伴星为白矮星。这类系统通过引力波辐射损失轨道角动量，使得白矮星能够一直充满其洛希瓣，产生稳定的吸积。理论分析表明，在供体为白矮星且由引力波辐射主导角动量损失的UCXB中，随着轨道周期缩短，引力波辐射增强导致更高的角动量损失率，并驱动更高的物质转移率，从而提高X射线光度；同时也因白矮星的半径随质量的增加而减小，较短轨道周期对应更大质量的白矮星。据此我们绘制了UCXB的光度-轨道周期图，如图2所示。M31 UCXB-1的X射线光度是所有UCXB中最高的，在光度-轨道周期图中的位置完全符合理论预测。该结果表明，465秒的周期性信号极可能来自于其轨道运动。

图2. 白矮星UCXB的光度-轨道周期图。蓝色和橙色分别表示中子星和黑洞系统的光度范围。M31 UCXB-1的位置非常符合理论预测，表明465秒的周期性信号极有可能对应其轨道周期。来自原文图4。

理论分析表明，对于465秒的轨道周期而言，中子星-白矮星系统是超爱丁顿吸积状态的。而通过光谱拟合，我们发现M31 UCXB-1在高软态的谱指数约为3，这并不符合中子星超爱丁顿吸积的特征。另外，无论在低态还是高态，M31 UCXB-1都缺乏来自中子星表面的黑体辐射成分，因此我们认为该源很可能是黑洞-白矮星系统。

UCXB产生的引力波辐射强度与其轨道周期反相关，因此我们推测M31 UCXB-1具有UCXB中最强的引力波辐射，是潜在的低频引力波源。但由于它位于仙女座星系，距离过远，只有当其中的黑洞质量高于10倍太阳质量时，才可能被未来灵敏度更高的空间引力波探测项目（如中国的“太极”和欧洲的“LISA”）捕捉到，如图3所示。

图3. M31 UCXB-1的引力波可探测性，考虑3种不同质量的黑洞。三条曲线分别是天琴，LISA，和太极的设计灵敏度。来自原文图5。

本工作的结果表明，M31 UCXB-1是第一个河外UCXB候选体，同时也是轨道周期最短，X射线光度最高，引力波辐射最强，白矮星质量最大的UCXB系统。该源的发现，对研究双星系统演化，以及未来的低频引力波探测具有重要意义。

研究论文

该研究工作以“The first extragalactic ultra-compact X-ray binary: A candidate black hole-white dwarf system”为题发表在综合性学术期刊The Innovation上。本文共同第一作者为厦门大学博士研究生马千淇和南京大学博士研究生张佳畅，共同通讯作者为厦门大学顾为民教授和南京大学李志远教授。其他合作者还包括南京师范大学翁山杉教授和意大利INAF博士后鲍通。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.101181