FAST新發現！軌道周期最短脈沖星現身

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中國天眼FAST“抓住”了“毒蜘蛛”。

2023年6月21日，國際學術期刊《自然》在線發表中國科學院國家天文臺姜鵬研究團隊的一項重要成果。該團隊利用中國天眼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。該發現填補了“蜘蛛類脈沖星”系統演化模型中缺失的一環。

據介紹，這篇論文是以“加速預覽”形式在線發表，意味著研究成果得到同行和雜志編輯部的高度評價。

對此，論文通訊作者之一、國家天文臺FAST運行和發展中心常務副主任姜鵬告訴《中國科學報》記者：“在我們大團隊的合作下，論文稿件處理花了一年多時間，過程中也做了一些修改、迭代。審稿專家對科學內容高度認可，才會有這樣的快速接收過程。”

研究成果效果圖（國家天文臺供圖）

從“紅背”到“黑寡婦”

“紅背”和“黑寡婦”是世界上著名的兩種毒蜘蛛，天文學家用它們的名字來命名脈沖星。

脈沖星是一種旋轉的星體，因不斷地發出電磁脈沖信號而得名。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。

論文共同第一作者、中國科學院國家天文臺副研究員潘之辰介紹，雙星系統中，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，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會變慢。

在天文學家看來，脈沖星的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。于是，他們將這類天體統稱為蜘蛛類脈沖星（spider pulsar），而被稱為“紅背”和“黑蜘蛛”的脈沖星則具有不同的質量和軌道周期，演化過程可長達數億年。

此前，天文學家僅探測到分別處于“紅背”與“黑寡婦”狀態的系統，但從來沒有發現這二者演化的中間狀態。

“原因是處于這一階段的脈沖星軌道周期非常短、兩個星的距離非常近，這對觀測提出了極大的挑戰。”論文通訊作者之一、國家天文臺研究員韓金林表示。也就是說，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。

極強探測能力

在最新發表的論文中，中國天眼FAST的觀測結果證實了這一演化理論。

研究團隊使用中國天眼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。這被確定為是處于“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。

“我們將它命名為‘華美寇蛛’，這是一種在中國分布的蜘蛛，外形上和紅背、黑寡婦都有相似之處，又不盡相同。”潘之辰表示。

同時，研究人員看到，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。

“這項研究完全依賴于中國天眼FAST的超高靈敏度和極強探測能力。”潘之辰說。

作為具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，中國天眼FAST在脈沖星發現、快速射電暴、中性氫等研究領域已經取得一批有重要科學價值的研究成果。這些研究成果形成的論文，有8篇在《自然》上發表，2篇在《科學》上發表。

姜鵬表示：“我們目光所及是星辰大海，但我們走過的每一步路都是腳踏實地。”

引起廣泛關注

這一研究成果是在多家國內外單位、多位研究者的通力合作下完成。論文的共同第一作者包括潘之辰、國家天文臺助理研究員盧吉光和云南天文臺研究員陳海亮等，通訊作者包括姜鵬、韓金林和美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰等學者。

合作者則來自貴州大學貴州射電天文臺、中國科學院云南天文臺、中國科學院上海天文臺、中國科學院國家授時中心、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。

這項研究在國內外同行中引起廣泛關注。《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記錄縮短約30%，預示著蜘蛛類脈沖星演化中存在新的未知過程。

中國科學院云南天文臺研究員、中國科學院院士韓占文則寄語，這一發現不僅在天體物理學領域作出了重要貢獻，也進一步擴展了我們對宇宙的認同。“我們為中國天眼FAST取得這一重要成果感到自豪，期待未來能夠又更多關于宇宙奧秘的發現。”他說。