近日，清华大学天文系、中国科学院紫金山天文台等单位的联合研究团队利用欧洲空间局（ESA）XMM-Newton空间X射线望远镜，对邻近的仙女座星系（M31）开展了有史以来最全面的X射线源巡天研究。研究结果表明，仙女座星系中的低质量X射线双星（LMXB）的总X射线辐射亮度显著低于理论预期，与理论模型预测的 X 射线辐射会维持长达十亿年的‘平台期’不同，研究发现这些系统在形成后呈现出持续且快速的衰减趋势，这意味着它们比理论预期的演化速度更快，在形成约 10 亿年时，其实际观测亮度远低于理论模型。”这一发现挑战了天文学界长期以来广泛采用的“X射线光度与星系质量成正比”的经验关系的普适性和低质量X射线双星光度的演化模型。
该成果已被国际天文学期刊《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）接收。
图1: X 射线与红外波段交织的仙女座。 这是一张由 XMM-Newton（X 射线）与 WISE（红外）观测数据叠加而成的伪色图。下图显示了本次研究完整的天区，覆盖了从星系中心延伸至外围晕的广泛区域；上图聚焦于星系盘面，作为研究对象的 X 射线双星（亮点）宛如璀璨的宝石，镶嵌在红外波段勾勒出的星系结构之上。
最清晰的仙女座“X射线源人口普查”
X射线双星由致密天体（中子星或黑洞）与伴星组成，是研究恒星在极端引力场下演化的“宇宙实验室”，也是反推星系演化历史的重要“化石”。虽然我们身处银河系，但受限于尘埃遮挡和距离测量的困难，难以看清银河系内X射线源的全貌。相比之下，仙女座星系（M31）是离我们最近的大型旋涡星系，它提供了一个距离清晰的完备样本，是天文学家普查恒星级X射线源的理想之地。
X射线双星是由致密天体（如中子星或黑洞）与伴星组成的系统，致密天体从伴星吸积物质并释放出强烈的X射线。仙女座星系距离地球约250万光年，是距离银河系最近的大型旋涡星系，因而是研究恒星级X射线源的理想实验室。相比我们身处的银河系，研究仙女座可以获得一个距离清晰、完备的样本，从而精确刻画致密双星的统计特性。
该工作属于XMM-Newton遗珍巡天项目New-ANGELS 的一部分。研究团队通过长时间多次曝光，覆盖了仙女座盘面及其周边共7.2平方度的天区，最终探测到4506个X射线源。通过对比盘面外的“背景视场”，团队高精度地扣除了来自前景恒星和背景活动星系核（AGN）的干扰，获得了迄今样本量最大最干净的仙女座星系X射线源样本。
X射线双星的“青春早逝”
图2: 图中展示了 X 射线双星亮度随年龄演化的轨迹。与理论模型（黑色实线）预测的长达十亿年的高亮度“平台期”不同，本研究（蓝色实线及阴影）发现这些天体的亮度在形成后便持续下跌
研究团队通过构建仙女座不同区域（中心核球、内旋臂、外盘等）的X射线光度函数，系统比较了各处源群体的性质。结果显示，仙女座盘面内的低质量X射线双星主导了星系的整体X射线辐射，但其单位恒星质量对应的总X射线亮度（记作α_LMXB）显著低于其他星系。这表明仙女座的X射线源群体已经经历了显著的亮度衰减。尤其是在其主要由20-40亿年恒星构成的“内旋臂”区域，X射线辐射异常暗淡，通过联合仙女座星系恒星形成历史的分析，研究发现与理论模型预测的 X 射线辐射会维持长达十亿年的‘平台期’不同，这些系统在形成后呈现出持续且快速的衰减趋势，在 10 亿年左右时，其实际亮度已远低于理论预测。
“我们的结果说明，低质量X射线双星并不会稳定地维持高亮度，而是会在形成后的逐渐‘老化’，在10亿年后的亮度远远低于理论预期。”研究第一作者黄瑞博士指出，“这意味着星系的恒星形成历史会对星系整体X射线辐射强度产生更复杂的影响，而非简单地与总恒星质量成正比。”
重新理解星系的“X射线亮度公式”
长期以来，天文学家常以星系的恒星质量来估算其总X射线亮度——即所谓“X射线光度–质量关系”。然而仙女座星系的结果显示，这一经验规律在经历过特定恒星形成历史的星系中会失效。
仙女座的X射线源总体亮度比其他同类星系低，原因在于其恒星总体较老，低质量X射线双星已进入‘光度早衰’阶段。这一发现不仅提供了校准理论模型的全新基准，也为理解银河系及其他星系中双星的长期演化提供了重要参考。
科研团队与合作单位
本研究的第一作者为清华大学天文系博士后黄瑞（现在密歇根大学天文系访问），通讯作者为紫金山天文台李江涛研究员。主要合作者包括清华大学崔伟教授、屈稚杰助理教授，以及美国密歇根大学 Joel Bregman 教授、德国马普地外物理研究所、意大利布雷拉天文台Gabriele Ponti 教授、南京大学李向东教授与马萨诸塞大学王青德教授等多家机构的学者。本研究得到了国家自然科学基金 、中国载人航天工程、科技部等项目的支持。
文章链接：https://arxiv.org/abs/2511.05856 https://doi.org/10.1093/mnras/staf1821
