北京時(shí)間2023年6月21日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表中國(guó)天眼FAST取得的一項(xiàng)重要成果。研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼FAST發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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)軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)(圖1)。該發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了蜘蛛類(lèi)脈沖星系統(tǒng)演化模型中缺失的一環(huán)。

天文觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些脈沖星處于雙星系統(tǒng)中，和其它恒星一起繞轉(zhuǎn)。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(huì)吞掉身旁這顆恒星的物質(zhì)，并使自身越轉(zhuǎn)越快。因恒星初始質(zhì)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(zhuǎn)速度也越來(lái)越快；隨著雙星系統(tǒng)演化，恒星被大量蠶食后質(zhì)量變小，脈沖星難以繼續(xù)吸積并把恒星推開(kāi)，其相互繞轉(zhuǎn)的速度也就變慢。因?yàn)檫@種行為類(lèi)似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養(yǎng)自身的行為，天文學(xué)家就以?xún)煞N蜘蛛的名字紅背(redback)與黑寡婦(black widow)來(lái)命名這類(lèi)天體，統(tǒng)稱(chēng)為蜘蛛類(lèi)脈沖星(spider pulsar)。

【資料圖】

從“紅背”(redback)到“黑寡婦”(black widow) 脈沖星-恒星系統(tǒng)的演化過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年。此前天文學(xué)界僅探測(cè)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(gè)星的距離非常近，對(duì)觀測(cè)提出了極大的挑戰(zhàn)。因此蜘蛛類(lèi)脈沖星從“紅背”向“黑寡婦”系統(tǒng)的演化理論尚未完全證實(shí)。

借助中國(guó)天眼FAST的超高靈敏度和極強(qiáng)探測(cè)能力，這一演化路徑得到證實(shí)。研究團(tuán)隊(duì)使用FAST探測(cè)到M71E雙星系統(tǒng)，長(zhǎng)期觀測(cè)后確定這一系統(tǒng)兩顆星繞轉(zhuǎn)一周的時(shí)間僅為53分鐘，是目前已發(fā)現(xiàn)的繞轉(zhuǎn)速度最快蜘蛛脈沖星系統(tǒng)。被確定為是處于紅背到黑寡婦系統(tǒng)演化過(guò)程的中間狀態(tài)，填補(bǔ)了蜘蛛脈沖星演化理論的缺失環(huán)節(jié)(圖2)。同時(shí)，該雙星系統(tǒng)軌道面近乎朝向地球、極為罕見(jiàn)，期待進(jìn)一步研究有更多發(fā)現(xiàn)。

《自然》期刊審稿人評(píng)價(jià)該成果為發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的脈沖星雙星系統(tǒng)；這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得脈沖星雙星系統(tǒng)的軌道周期最短紀(jì)錄縮短約30%，預(yù)示著蜘蛛類(lèi)脈沖星演化中存在新的未知過(guò)程。

文章的共同第一作者包括國(guó)家天文臺(tái)潘之辰、盧吉光和云南天文臺(tái)陳海亮；通訊作者包括國(guó)家天文臺(tái)姜鵬、韓金林和美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校張冰，合作者來(lái)自貴州大學(xué)貴州射電天文臺(tái)，云南天文臺(tái)，上海天文臺(tái)，國(guó)家授時(shí)中心，北京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，德國(guó)馬克思普朗克研究所，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校等多家國(guó)內(nèi)外單位。

此項(xiàng)研究得到中國(guó)科學(xué)院“穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)”計(jì)劃支持，得到國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金、面上項(xiàng)目、聯(lián)合基金、青年基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)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(tuán)M71；右：來(lái)自FAST觀測(cè)數(shù)據(jù)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(zhì)量-軌道周期圖上的位置。紅色和藍(lán)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(tài)。

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