紫外光谱揭示热白矮星并合遗迹：碳元素探测为超新星前身提供关键证据

《Nature Astronomy》：A hot white dwarf merger remnant revealed by an ultraviolet detection of carbon

本刊推荐：为解决超大规模白矮星（≥1.1 M⊙）起源鉴定难题，研究团队通过哈勃太空望远镜远紫外光谱分析WD 0525+526，首次在20,820 K热白矮星中探测到低丰度碳元素（log(C/H)=-4.62），发现其氢氦包层质量（10-13.8MWD和10-12.6MWD）远低于单星演化预期，证实半对流区新型包层结构模型，为恒星并合演化通道提供关键观测证据。

　　

在银河系的恒星演化史中，白矮星作为绝大多数恒星的终极归宿，其演化轨迹蕴含着恒星系统的关键信息。近年来，Gaia卫星的精确观测揭示了赫罗图中白矮星冷却轨迹的奇特结构——Q分支，这个与核心结晶化相关的过密度区域暗示着部分超大规模白矮星（质量≥1.1倍太阳质量）经历着异常漫长的冷却延迟。更令人困惑的是，这些白矮星中约有5-9%表现出额外的至少80亿年冷却延迟，这被解释为它们可能起源于恒星并合事件。然而，由于白矮星外层通常被氢氦包层覆盖，直接验证其并合起源始终是天文观测的重大挑战。

在此研究背景下，由英国华威大学Snehalata Sahu和Antoine Bédard共同领导的研究团队在《Nature Astronomy》发表突破性研究，通过哈勃太空望远镜的远紫外光谱技术，成功捕捉到超大规模白矮星WD 0525+526大气中微量的碳元素信号，为恒星并合理论提供了直接观测证据。这项研究不仅发现了一类新型热白矮星并合遗迹，更揭示了半对流过程在白矮星包层演化中的关键作用。

研究人员主要运用三大技术方法：首先利用哈勃太空望远镜COS（Cosmic Origin Spectrograph）仪器获取高分辨率远紫外光谱；其次结合Gaia卫星的天体测量数据，通过质量-半径关系确定恒星基本参数；最后采用STELUM代码构建自洽的包层结构模型，综合考虑原子扩散和对流混合过程，首次在White dwarf（白矮星）中预测出半对流区的存在。

紫外光谱揭示碳元素特征

研究团队在分析311颗氢大气白矮星的HST-COS紫外光谱时，在WD 0525+526的光谱中清晰检测到碳元素吸收线。最强的C II谱线出现在1334和1335 ?处，虽然与星际介质吸收线混合，但C III多重线（1174-1177 ?）的红移特征（92.8 km s^-1）确证了其光球层起源。通过大气模型拟合，研究人员测得该白矮星的有效温度为20,820±96 K，质量为1.20±0.01 M_⊙，碳丰度低至log(C/H)=-4.62±0.04，比此前已知的六颗DAQ（氢碳混合大气）白矮星低4-5个数量级。

包层结构模型突破

研究团队通过STELUM代码构建的包层模型显示，WD 0525+526的大气层并非对流层，其外层存在一个独特的半对流区（semi-convection zone）。该区域在log q（q=1-m_r/M_WD）介于-15至-16之间表现出交替的对流稳定与不稳定层，形成阶梯状化学丰度分布。这种半对流现象由成分梯度（主要是氢丰度梯度）强烈抑制对流不稳定性导致，有效解释了为何碳元素能够以低丰度存在于氢主导的大气中，而不会因对流混合被均匀稀释。

并合起源的多重证据

模型计算表明，WD 0525+526的氢包层总质量仅为10^-13.8M_WD，氦包层上限为10^-12.6M_WD，远低于单星演化预期值。结合其高达118 km s^-1的空间速度（经引力红移校正后为-48.6 km s^-1）和厚盘星族特征，强烈支持其并合起源。研究人员排除了辐射悬浮、星际物质吸积等替代解释，确认恒星并合是唯一合理的形成机制。

研究结论表明，WD 0525+526代表了一类新型热白矮星并合遗迹，其演化历程可能始于类似H1504+65的碳主导大气阶段，随着冷却过程，残余氢通过原子扩散上浮形成当前观测到的薄氢层结构。该发现不仅证实紫外光谱是探测热并合遗迹的关键工具，更完善了白矮星形成理论，为理解双星演化如何影响热核超新星前身星提供重要观测约束。随着更多紫外光谱观测的开展，这类"隐藏"的并合遗迹有望被大量发现，最终揭示恒星并合在星系演化中的真实贡献。