北京時間2023年6月21日，國際學術期刊《自然》在線發表了中國天眼FAST取得的一項重要成果。研究團隊利用中國天眼FAST發現了一個名為PSR J1953+1844（M71E）的雙星，其軌道周期僅為53分鐘，是目前發現的軌道周期最短的脈沖星雙星系統。該發現填補了蜘蛛類脈沖星系統演化模型中缺失的一環。
中國天眼已發現近800顆脈沖星
據論文第一作者、國家天文臺副研究員潘之辰介紹，脈沖星非常小，其半徑通常為10千米至15千米，密度極高，達1億噸每立方厘米，自轉很快，自轉周期在1.39毫秒-76秒之間。脈沖星的發現獲得了諾貝爾獎，它與類星體、分子譜線、宇宙微波背景輻射并稱為20世紀60年代射電天文的四大發現，它們使射電天文得以快速且蓬勃地發展。
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國家天文臺副研究員潘之辰介紹中國天眼FAST的最新成果。 新京報記者 張璐 攝
“脈沖星的強磁場、強引力場是非常難得的極端條件實驗室。”他說，脈沖星中包括一些特殊類型脈沖星，比如自轉周期小于30毫秒的毫秒脈沖星、脈沖雙星等，搜索發現這類特殊類型的脈沖星是取得前沿研究突破的第一步。
中國天眼FAST自2017年運行以來，已經發現了近800顆脈沖星，是同時期世界上其他所有射電望遠鏡所發現的脈沖星數量總和的三倍以上。
從“紅背”演化到“黑寡婦”，此前中間狀態未被觀測到
據悉，過半的恒星處于雙星系統中。目前人類已知的3000余顆脈沖星中，約有10%處于雙星系統中，和其他恒星一起繞轉，這些脈沖星的自轉周期大多短于30毫秒。超過60%的脈沖星雙星系統軌道周期長于1天。
按照已有的天體物理學模型：如果兩顆星的距離很近，脈沖星會吞掉身旁這顆恒星的物質，并使自身越轉越快。由于雙星角動量損失，隨著脈沖星蠶食恒星，兩顆星的距離越靠越近，相互繞轉速度也越來越快；隨著雙星系統演化，當恒星被大量蠶食，質量小到一定值后，雙星間距會變大，其相互繞轉的速度也就變慢。
因為這種行為類似于自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛以供養自身的行為，天文學家就以兩種蜘蛛的名字——紅背(Redback)與黑寡婦(Black Widow)來命名這類天體，統稱為蜘蛛類脈沖星(Spider Pulsar)。
潘之辰具體介紹稱，紅背蜘蛛脈沖星的伴星質量在0.1-0.4倍的太陽質量之間，軌道周期小于一天，脈沖星信號大概率被伴星遮擋，脈沖星和伴星相互作用強。黑寡婦蜘蛛脈沖星的伴星小于0.03倍太陽質量，軌道周期數小時，雙星間的相互作用弱。
從“紅背”到“黑寡婦”，脈沖星-恒星系統的演化過程可長達數億年。此前天文學界僅探測到分別處于“紅背”與“黑寡婦”狀態的系統，但并未發現這二者演化的中間狀態。原因是在此階段的脈沖星軌道周期非常短、兩個星的距離非常近，對觀測形成了極大的挑戰。因此，蜘蛛類脈沖星從“紅背”向“黑寡婦”系統的演化理論尚未完全被證實。
填補蜘蛛類脈沖星演化理論的缺失環節
借助中國天眼FAST的超高靈敏度和極強探測能力，這一演化路徑得到證實。
研究團隊使用FAST探測到M71E雙星系統，經長期觀測后確定這一系統兩顆星繞轉一周的時間僅為53分鐘，是目前已發現的繞轉速度最快的蜘蛛類脈沖星系統。M71E雙星系統被確定為是處于“紅背”到“黑寡婦”系統演化過程的中間狀態，從而填補了蜘蛛類脈沖星演化理論的缺失環節。該系統中伴星的質量推測為0.07倍的太陽質量，科研團隊用中國本土蜘蛛——“華美寇蛛”為該系統中的蜘蛛類脈沖星命名。
潘之辰說：“雙星互相繞轉過程中，脈沖星信號大概率被伴星遮擋，增加了射電望遠鏡的搜索難度。但FAST靈敏度非常高，僅用5分鐘就抓到了該系統的信號，比其他設備觀測1至2小時所得到的信號還要優秀。”
《自然》期刊審稿人評價，該成果發現了一個非常有趣的脈沖星雙星系統；這個發現使得脈沖星雙星系統的軌道周期最短紀錄縮短約30%，預示著蜘蛛類脈沖星在演化中存在著新的未知過程。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 吳興發
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