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北京時間2023年6月21日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)。該發(fā)現(xiàn)填補了蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)演化模型中缺失的一環(huán)。

中國天眼已發(fā)現(xiàn)近800顆脈沖星

據(jù)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(zhuǎn)很快，自轉(zhuǎn)周期在1.39毫秒-76秒之間。脈沖星的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，它們使射電天文得以快速且蓬勃地發(fā)展。

(資料圖)

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(zhuǎn)周期小于30毫秒的毫秒脈沖星、脈沖雙星等，搜索發(fā)現(xiàn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量總和的三倍以上。

從“紅背”演化到“黑寡婦”，此前中間狀態(tài)未被觀測到

據(jù)悉，過半的恒星處于雙星系統(tǒng)中。目前人類已知的3000余顆脈沖星中，約有10%處于雙星系統(tǒng)中，和其他恒星一起繞轉(zhuǎn)，這些脈沖星的自轉(zhuǎn)周期大多短于30毫秒。超過60%的脈沖星雙星系統(tǒng)軌道周期長于1天。

按照已有的天體物理學(xué)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(zhì)，并使自身越轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度也越來越快；隨著雙星系統(tǒng)演化，當(dāng)恒星被大量蠶食，質(zhì)量小到一定值后，雙星間距會變大，其相互繞轉(zhuǎn)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(yǎng)自身的行為，天文學(xué)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(tǒng)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(zhì)量在0.1-0.4倍的太陽質(zhì)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(zhì)量，軌道周期數(shù)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(tǒng)的演化過程可長達數(shù)億年。此前天文學(xué)界僅探測到分別處于“紅背”與“黑寡婦”狀態(tài)的系統(tǒng)，但并未發(fā)現(xiàn)這二者演化的中間狀態(tài)。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(zhàn)。因此，蜘蛛類脈沖星從“紅背”向“黑寡婦”系統(tǒng)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(huán)節(jié)

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(tǒng)，經(jīng)長期觀測后確定這一系統(tǒng)兩顆星繞轉(zhuǎn)一周的時間僅為53分鐘，是目前已發(fā)現(xiàn)的繞轉(zhuǎn)速度最快的蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)。M71E雙星系統(tǒng)被確定為是處于“紅背”到“黑寡婦”系統(tǒng)演化過程的中間狀態(tài)，從而填補了蜘蛛類脈沖星演化理論的缺失環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)中伴星的質(zhì)量推測為0.07倍的太陽質(zhì)量，科研團隊用中國本土蜘蛛——“華美寇蛛”為該系統(tǒng)中的蜘蛛類脈沖星命名。

潘之辰說：“雙星互相繞轉(zhuǎn)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(tǒng)的信號，比其他設(shè)備觀測1至2小時所得到的信號還要優(yōu)秀。”

《自然》期刊審稿人評價，該成果發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的脈沖星雙星系統(tǒng)；這個發(fā)現(xiàn)使得脈沖星雙星系統(tǒng)的軌道周期最短紀錄縮短約30%，預(yù)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(fā)