在浩瀚的宇宙中，恒星很少单独存在。天文学家通过观测发现，超过一半的恒星以双星或多星系统的形式相互绕转，就像浪漫的“情侣”或默契的“舞伴”。双星系统是由两颗恒星组成的天体系统。它们互相吸引，互相绕转，仿佛在宇宙的舞台上跳着永恒的双人舞。惊人的双星系统 双星的形成是一个惊人的过程。大型气体云在重力的影响下塌陷，形成恒星的“胚胎”。但当分子云塌陷时，它们并不总是形成单个恒星“胚胎”。如果云内部的密度存在微小差异，塌缩过程就可以“一分为二”：云的核心分成两个独立的密度中心，每个密度中心都吸引周围的气体和尘埃，最终形成两颗恒星。两位明星出生在同一个“摇篮”，拥有相似的化学成分和年龄，就像一对“双胞胎”。还有一种双星是更“偶然”形成的。在恒星密集的星团中，原本独立形成的两颗恒星可以因引力而相互捕获，形成“俘获双星”。此类双星的年龄和化学成分可能不同，使它们更像宇宙中的“一半相遇的伙伴”。不过，这种情况相当罕见，因为恒星之间的距离通常很远。两颗恒星要互相捕获，需要速度和坐标角，这使得地球和火星很难突然在太阳系内形成轨道。不管它们是以哪种方式形成的，一旦双星被识别出来，它们就会被引力紧紧地束缚在一起，进入“守在一起”的阶段。两颗恒星之间的引力相互作用非常复杂，它们围绕一个共同的质心旋转，就像一对“舞伴”跳着华尔兹。如果两颗恒星之间的距离很大，轨道通常是椭圆形的，轨道的近地点（或远地点）会随着时间的推移而缓慢移动。这种现象被称为“轨道进动”，是双星系统中非常有趣的现象。主要区别在于两颗恒星之间的p距离——这个距离决定了它们引力相互作用的强度，是否存在物质交换，甚至它们是否“干扰”彼此的演化。天文学家根据距离将双星分为两大类，每一类都有独特的“舞蹈风格”： 近距离的星星：宇宙中的“个人舞蹈”伙伴。在一些双星系统中，两颗恒星之间的距离小于太阳系中行星之间的距离。这种类型的双星被称为“紧密双星”。在靠近的双星中，两颗恒星之间的引力相互作用非常强，它可以改变星形的形状——就像你用手揉面团时，面团会沿着力的方向拉伸。引力下降这种过程被称为“潮汐变形”：两颗恒星被拉成椭圆形，它们的长轴始终指向彼此，就好像被引力相互“弯曲”一样。最极端的闭合二进制是“接触二进制”。它们距离如此之近，以至于两颗恒星的外层大气已经“融合”，形成了一个共享的气体包层——就像表面完全接触的两粒花生一样。这种双星的轨道几乎是完美的圆形。公转的周期只有几个小时——相当于每隔几个小时完成一次“拥抱旋转”，就像跳一支快速的华尔兹一样。稍微接近的双星称为“半合双星”。它们并不形成共享的包层，而是来自一颗恒星外部大气的物质流入另一颗恒星，形成气体的“桥梁物体”。伊藤艾图拉多夫一星将营养物质“输送到另一颗恒星，转移的物质在接收恒星周围形成吸积盘。宽距离双星：宇宙中遥远的舞伴。与近距离双星不同，宽双星中的两颗恒星相距很远，通常在10到10万个天文单位之间（一个天文单位约为1.5亿公里，这是从地球到太阳的距离）。它们的轨道明显是椭圆形的，它们的周期例如，位于天鹅座的双星系统，即天鹅座61，由两颗k型主星以659年的周期相互绕转，形成一个典型的宽距双星系统，该星体的“舞蹈”就像一首缓慢的华尔兹：两颗恒星各自保持相对独立，引力相互作用较弱，几乎没有物质交换。甚至可能有自己的行星系统米。宇宙的天然实验室就在浩瀚的天空中。双星系统有许多明亮的恒星。它们不仅是肉眼可见的“夜空地标”，也是天文学家研究的焦点。例如小天狼星。它们是夜空中最亮的“双人舞”——天狼星（大犬座α）是夜空中最亮的星星。 1844年，德国天文学家贝塞尔通过观察发现天狼星轨道存在轻微的“摆动”，并推测其受到一颗看不见的伴星引力的影响； 1862年，美国天文学家首次注意到里奇·克拉克通过望远镜发现了这颗伴星——天狼星B，一颗白矮星。另一个例子是半人马座阿尔法星。它距离太阳仅4.3光年，是距离世界最近的三星级系统。它由三颗恒星组成——半人马座阿尔法星A（一颗与太阳相似的主序星）、半人马座阿尔法星B（一颗稍小的主序星）和比邻星（一颗红矮星）。其中，A、B组成双星，距离11至36天文单位（略大于土星到太阳的距离），公转周期约为80年；比邻星绕 A 和 B 轨道运行，距离约为 13,000 天文单位。该系统因其距离近而吸引了很多关注——它是未来人类星际旅行最有可能的目标之一。那么，科学家为什么要研究双星系统呢？因为它们不仅是宇宙中的视觉现象，也是天文学家探索宇宙的有力工具——它们的存在产生了许多此前未定的恒星参数，并为许多难以证明的理论提供了观测基础。通过观察双星的运动，天文学家可以准确测量恒星的质量。这是因为双星的轨道运动受到引力的严格限制，而引力的大小与恒星的质量有关。通过分析双星的轨道参数，天文学家可以计算出两颗恒星的质量、半径和光度，是研究恒星物理的重要途径。双星系统也是研究恒星演化的天然实验室。在双星系统中，两颗恒星的年龄和化学成分非常相似，但它们的质量可能不同。由于恒星的演化速度与其质量有关，质量越大的恒星演化得越快。通过比较双星系统中两颗恒星的演化阶段，天文学家可以更好地了解恒星的演化过程。对于相近的双星来说，物质交换使得演化变得更加复杂。例如，当一颗恒星通过“桥天体”将质量转移给它的伙伴后，其自身的质量会减少，而接收该天体的恒星的质量会增加，这可能会导致两颗恒星的质量发生逆转，从而导致恒星缓慢演化的不寻常现象。巨大的恒星。一些奇怪的双星系统是宇宙中最激烈的物理实验室。它们不仅让人们验证基本物理理论，而且帮助我们理解元素起源、时空本质、宇宙演化等基本问题。普通的双星就像优美的华尔兹舞者，在引力的牵引下不断地移动。一些双星上演激烈的“引力对决”，并在剧烈碰撞中结束生命。致密双星演奏着宇宙中最激烈的探戈。当中子星或黑洞等强烈天体成为双星的成员时，它们在不断的旋转中释放出空间和时间的涟漪（引力波），最终以滑坡的方式完成最终的聚变。 2015年9月14日，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）直接探测到两个黑洞合并产生的引力波信号13亿年前。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的36倍和29倍。合并后，它们形成质量为太阳62倍的黑洞。相当于3个太阳质量的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释放出来。这一发现获得了2017年诺贝尔物理学奖。 X射线双星表现出宇宙中最贪婪的“吞噬”行为。当中子星或黑洞等致密天体从伴星捕获物质时，这些物质会被加热到数百万摄氏度，并发出炽热的高能 X 射线辐射。这种类型的双星是 X 射线双星。 Cygnus X-1 是最著名的例子。这个包含恒星级黑洞的系统使科学家能够研究物质在极端引力环境中的行为。有趣的是，著名物理学家霍金曾就此联系基普·索恩，最终不得不承认黑洞的存在。 IA 型超新星是宇宙中最壮观的“烟花”。当双星系统中的白矮星吸积过多物质并达到一定限度时，就会发生剧烈爆炸。这类超新星的亮度非常稳定，因此成为了测量距离的“标准蜡烛”。 1998年，科学家们正是通过对宇宙“灯塔”的观测，发现宇宙正在加速膨胀，揭示了暗能量的存在，彻底改变了人类对宇宙命运的认识。这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。双脉冲星是宇宙中最精确的时钟。特别是，天文学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔发现了人类历史上第一颗脉动双星PSR B1913+16。它的轨道衰减与广义相对论预测的引力波辐射的能量损失完全匹配。差异小于0.4%。这个系统是李是一个为检验爱因斯坦理论而量身定制的天然实验室，它的发现者获得了1993年诺贝尔物理学奖。西双星主题是宇宙中最浪漫的天象之一。从诞生时的“引力协议”，到进化时的“相互影响”，再到可能的“终极合并”，每一个阶段都充满了宇宙的规律和意外。对于人们来说，双星不仅是夜空中的视觉奇观，更是解开宇宙奥秘的钥匙——它们让人们能够测量恒星的质量、证明引力理论、揭示黑洞的奥秘、追溯宇宙膨胀的历史。他们的“舞蹈”已经持续了数亿年，并将持续数万亿年。人类通过观察和思考，逐渐理解跨越时空的宇宙华尔兹。 （作者：李凯 空间科学与技术学院副院长、教授理学，汕杜大学） （编辑：何鑫）