FAST新发现 填补脉冲星演化模型缺失一环

北京时间2023年6月21日，国际学术期刊《自然》在线发表中国天眼FAST取得的一项重要成果。研究团队利用中国天眼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(图1)。该发现填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。

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(redback)与黑寡妇(black widow)来命名这类天体，统称为蜘蛛类脉冲星(spider pulsar)。

从“红背”(redback)到“黑寡妇”(black widow) 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。

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(图2)。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。

《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纪录缩短约30%，预示着蜘蛛类脉冲星演化中存在新的未知过程。

文章的共同第一作者包括国家天文台潘之辰、卢吉光和云南天文台陈海亮；通讯作者包括国家天文台姜鹏、韩金林和美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰，合作者来自贵州大学贵州射电天文台，云南天文台，上海天文台，国家授时中心，北京大学，中国科学院大学，德国马克思普朗克研究所，美国内华达大学拉斯维加斯分校等多家国内外单位。

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。

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图1：左：红色箭头指示M71E的位置，旁边是球状星团M71；右：来自FAST观测数据的M71E的平均脉冲轮廓和偏振位置角。

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图2：M71E在伴星质量-轨道周期图上的位置。红色和蓝色的线均表示双星演化理论模拟的路径。M71E处于演化中间状态。