科學家們利用美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡的數據，首次發現了一種特殊類型的雙星系統的伽馬射線日食。這些所謂”蜘蛛”星系每一個都包含一顆脈衝星–在超新星中爆炸的恆星的超密集、快速旋轉的殘骸–緩慢地侵蝕其同伴。

一個國際科學家小組在費米觀測的十多年中，找到了七個經歷這些日食的蜘蛛，當低質量的伴星從我們的視點經過脈衝星的前面時，就會發生日食。這些數據使他們能夠計算出這些系統相對於我們的視線是如何傾斜的以及其他信息。

領導這項工作的德國漢諾威馬克斯-普朗克引力物理研究所的天體物理學家科林-克拉克說：”研究’蜘蛛’的最重要目標之一是試圖測量脈衝星的質量。脈衝星基本上是我們可以測量的最密集的物質球。它們所能達到的最大質量限制了這些極端環境中的物理學，這在地球上是無法複製的。”

有關這項研究的論文於1月26日發表在《自然天文學》雜誌上。

在這幅插圖中，一顆正在運行的恆星開始侵蝕它的伙伴，一個快速旋轉的超密集恆星殘骸被稱為脈衝星。脈衝星發射出多波長的光束，在視線範圍內旋轉，並產生外流，加熱恆星的正面，吹走物質並侵蝕其夥伴。資料來源：NASA/索諾瑪州立大學Aurore Simonnet

蜘蛛系統的形成是因為雙星中的一顆恆星比它的伙伴進化得更快。當質量更大的恆星變成超新星時，它留下了一顆脈衝星。這顆恆星的殘餘物發射出多波長的光束，包括伽馬射線，在我們的視野中掃來掃去，產生的脈衝如此有規律，可以與原子鐘的精度相媲美。

在早期，一些’蜘蛛’脈衝星通過吸走一股氣體來”餵養”它的同伴。隨著系統的發展，當脈衝星開始更快速地旋轉時，餵食就停止了，產生的粒子外流和輻射使同伴的正面過熱並侵蝕它。

科學家們將蜘蛛系統分為兩種類型，以蜘蛛物種命名，其雌性有時會吃掉它們較小的伴侶。黑寡婦蜘蛛含有質量小於太陽5%的伴星，紅背蜘蛛星系接納更大的同伴，無論是尺寸還是質量，重量都在太陽的10%到50%之間。

位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的費米項目科學家伊麗莎白-海斯說：”在費米之前，我們只知道有少數幾顆脈衝星會發射伽馬射線。經過十多年的觀測，這項任務已經確定了300多顆，並收集了一個漫長的、幾乎不間斷的數據集，使社區能夠進行開拓性的科學工作。”

研究人員可以通過測量蜘蛛系統的軌道運動來計算出它們的質量。可見光觀測可以測量出同伴的行進速度，而無線電測量則揭示了脈衝星的速度。然而，這些都依賴於朝向和遠離我們的運動。對於一個幾乎面對面的系統來說，這種變化是輕微的，而且有可能造成混亂。同樣的信號也可能是由一個較小的、較慢的、從側面看到的軌道系統產生的。了解該系統相對於我們視線的傾斜度對於測量質量至關重要。

傾斜的角度通常是用可見光來測量的，但是這些測量有一些潛在的複雜因素。當伴星繞著脈衝星運行時，其過熱的一面會進入和離開視野，從而在可見光中產生取決於傾斜度的波動。然而，天文學家們仍在了解過熱過程，具有不同加熱模式的模型有時會預測不同的脈衝星質量。

然而，伽馬射線只由脈衝星產生，而且能量很大，除非被伴星阻擋，否則它們會沿直線傳播，不受碎片的影響。如果伽馬射線從一個蜘蛛系統的數據集中消失，科學家可以推斷出伴星使脈衝星黯然失色。從那裡，他們可以計算出該系統在我們視線中的傾斜度、恆星的速度以及脈衝星的質量。

PSR B1957+20，簡稱B1957，是第一個著名的黑寡婦星，於1988年發現。這個系統的早期模型是根據可見光觀測建立的，確定它向我們的視線傾斜了大約65度，脈衝星的質量是太陽的2.4倍。這將使B1957成為已知最重的脈衝星，跨越了脈衝星和黑洞之間的理論質量極限。

通過查看費米數據，克拉克和他的團隊發現了15個丟失的伽馬射線光子。來自這些天體的伽馬射線脈衝的時間是如此的可靠，以至於在十年內丟失的15個光子足夠重要，以至於研究小組可以確定該系統正在黯然失色。然後他們計算出該雙星的傾斜度為84度，脈衝星的重量僅為太陽的1.8倍。

“有一個尋找大質量脈衝星的過程，這些蜘蛛系統被認為是尋找它們的最佳途徑之一，”新論文的共同作者、華盛頓的美國海軍研究實驗室的研究物理學家馬修-克爾說。”他們經歷了一個非常極端的從伴星到脈衝星的質量轉移過程。一旦我們真正得到了這些模型的微調，我們就能確定這些蜘蛛系統是否比其他的脈衝星群體更有質量。”