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北京時間2023年6月21日，國際學術期刊《自然》在線發表中國天眼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，是目前發現軌道周期最短的脈沖星雙星系統(圖1)。該發現填補了蜘蛛類脈沖星系統演化模型中缺失的一環。

天文觀測已經發現一些脈沖星處于雙星系統中，和其它恒星一起繞轉。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。因恒星初始質量較大，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，恒星被大量蠶食后質量變小，脈沖星難以繼續吸積并把恒星推開，其相互繞轉的速度也就變慢。因為這種行為類似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養自身的行為，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)。

(相關資料圖)

從“紅背”(redback)到“黑寡婦”(black widow) 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，對觀測提出了極大的挑戰。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證實。

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，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蜘蛛脈沖星系統。被確定為是處于紅背到黑寡婦系統演化過程的中間狀態，填補了蜘蛛脈沖星演化理論的缺失環節(圖2)。同時，該雙星系統軌道面近乎朝向地球、極為罕見，期待進一步研究有更多發現。

《自然》期刊審稿人評價該成果為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演化中存在新的未知過程。

文章的共同第一作者包括國家天文臺潘之辰、盧吉光和云南天文臺陳海亮；通訊作者包括國家天文臺姜鵬、韓金林和美國內華達大學拉斯維加斯分校張冰，合作者來自貴州大學貴州射電天文臺，云南天文臺，上海天文臺，國家授時中心，北京大學，中國科學院大學，德國馬克思普朗克研究所，美國內華達大學拉斯維加斯分校等多家國內外單位。

此項研究得到中國科學院“穩定支持基礎研究領域青年團隊”計劃支持，得到國家自然科學基金杰出青年基金、面上項目、聯合基金、青年基金，國家重點研發計劃和中國科學院青年創新促進會等的資助。

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圖1：左：紅色箭頭指示M71E的位置，旁邊是球狀星團M71；右：來自FAST觀測數據的M71E的平均脈沖輪廓和偏振位置角。

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圖2：M71E在伴星質量-軌道周期圖上的位置。紅色和藍色的線均表示雙星演化理論模擬的路徑。M71E處于演化中間狀態。