中国天眼FAST发现轨道周期最短脉冲星系统 为经典双星演化理论提供关键证据

中科院国家天文台供图

北京时间2023年6月21日，国际学术期刊《自然》在线发表中国科学院国家天文台科研团队的一项重要成果。该团队利用中国天眼FAST发现了一个名为PSR J1953+1844（M71E）的双星，其轨道周期仅为53分钟，是目前发现轨道周期最短的脉冲星双星系统。该发现填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。

搜寻和发现射电脉冲星是FAST核心科学目标。脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生，因发射周期性脉冲信号而得名，周期在1.4毫秒到23秒之间。被称为“毫秒脉冲星”的短周期脉冲星，可以与地球上最好的原子钟相媲美。

天文观测已经发现一些脉冲星处于双星系统中，和其它恒星一起绕转。按照已有的天体物理学模型：如果两颗星的距离很近，脉冲星会吞掉身旁这颗恒星的物质，并使自身越转越快。因恒星初始质量较大，随着脉冲星蚕食恒星，两颗星的距离越靠越近，相互绕转速度也越来越快；随着双星系统演化，恒星被大量蚕食后质量变小，脉冲星难以继续吸积并把恒星推开，其相互绕转的速度也就变慢。因为这种行为类似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为，天文学家就以两种蜘蛛的名字“红背”与“黑寡妇”来命名这此类天体，统称为蜘蛛类脉冲星。

从“红背”到“黑寡妇”脉冲星-恒星系统的演化过程可长达数亿年。此前天文学界仅探测到分别处于“红背”与“黑寡妇”状态的系统，但并未发现这二者演化的中间状态。原因是在此阶段的脉冲星轨道周期非常短、两个星的距离非常近，对观测提出了极大的挑战。因此蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统的演化理论尚未完全证实。

左：红色箭头指示M71E的位置，旁边是球状星团M71。（星明天文台供图）右：来自“中国天眼”观测数据的M71E的平均脉冲轮廓和偏振位置角。（中科院国家天文台供图）

借助中国天眼FAST的超高灵敏度和极强探测能力，这一演化路径得到证实。研究团队使用FAST探测到M71E双星系统，长期观测后确定这一系统两颗星绕转一周的时间仅为53分钟，是目前已发现的绕转速度最快蜘蛛脉冲星系统。被确定为是处于“红背”到“黑寡妇”系统演化过程的中间状态，填补了蜘蛛脉冲星演化理论的缺失环节。同时，该双星系统轨道面近乎朝向地球、极为罕见，期待进一步研究有更多发现。

中科院上海天文台台长、研究员沈志强认为这次在球状星团M71中发现迄今为止轨道周期不到一小时的自转周期为4.44毫秒的脉冲星，实属罕见。“这是脉冲星搜寻与物理研究方面的一个突破，直接证实了蜘蛛类脉冲星理论所预言的演化中间态脉冲双星的存在。同时，这也再次展示了FAST超高灵敏度优势所蕴含产生重大科学突破的潜力。”

《自然》期刊审稿人评价该成果为发现了一个非常有趣的脉冲星双星系统；这个发现使得脉冲星双星系统的轨道周期最短记录缩短约30%，预示着蜘蛛类脉冲星演化中存在新的未知过程。

此项研究得到中国科学院“稳定支持基础研究领域青年团队”计划支持，得到国家自然科学基金杰出青年基金、面上项目、联合基金、青年基金，国家重点研发计划和中国科学院青年创新促进会等的资助。

来源：人民日报