中國"天眼"發現軌道週期53分鐘的脈衝星雙星系統，這意味着什麼？_風聞

本文由中國科學技術大學天文學系蔡一夫教授、馬瀟漢同學供稿，風雲之聲編輯部對文稿進行了簡單的編輯，以方便各位觀眾理解。下面請大家享用對這項重要成果的解讀。

最近，中國"天眼"FAST發佈了一個重要成果：發現一個軌道週期僅僅為53分鐘的脈衝星雙星系統，刷新了脈衝雙星最短軌道週期的紀錄。它還填補了蜘蛛類脈衝星系統演化模型缺失的一環，一定程度上補全了“黑寡婦”脈衝星來自於“紅背”脈衝星的觀測拼圖。（https://www.cas.cn/zkyzs/2023/06/400/kyjz/202306/t20230625_4900767.shtml）

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的平均脈衝輪廓和偏振位置角。

脈衝星是什麼？

脈衝星雙星系統呢？

蜘蛛類脈衝星又是什麼？

黑寡婦和紅背又是怎麼回事？

脈衝星：宇宙中的信標和燈塔

脈衝星，得名於它會發出具有穩定週期的脈衝信號。這種脈衝信號是如此的穩定，以至於1967年24歲的“女”研究生喬絲琳·貝爾·伯奈爾發現脈衝星時，她的導師安東尼·休伊什和合作者的第一反應是：這是外星人發來的信號。他們甚至給外星人起了個名字，叫做“小綠人”！

後來，隨着對這些脈衝信號的深入瞭解，天體物理學家們認為它們來自一些擁有強大磁場、快速旋轉的中子星。根據現有的天體物理理論，大質量的恆星在經歷了超新星爆炸以後所遺留下來的殘骸由於角動量守恆，往往會具有極高的自轉速度。當這些高速旋轉的中子星產生的輻射光束穿過茫茫星海掃過地球時，我們就接收到了脈衝式的信號。

脈衝星的脈衝信號非常穩定，堪比實驗室中最精確的計時裝置“原子鐘”，所以我們可以把脈衝星作為宇宙中的信標和燈塔。因此，我們迫切希望發現與研究儘可能多的脈衝星。而這“正”是FAST最擅長的事。它作為目前世界上具有最大的“填充口徑”的球面射電望遠鏡，具有一騎絕塵的脈衝星搜索能力。FAST自啓用以來已經發現了超過740顆脈衝星，大大促進了我們對脈衝星的認知。

脈衝星雙星系統、蜘蛛類脈衝星

脈衝星可以是單獨的一顆，也可以跟另一顆恆星互相繞轉，構成雙星系統。在一類雙星系統中，兩顆星離得很近，質量較大的星體在引力的作用下會不斷地把另一顆星體的物質搶奪過來。這類似於生物界雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養自身的行為，因此天文學家把這樣的脈衝星系稱為蜘蛛類脈衝星。

紅背和黑寡婦

蜘蛛類脈衝星又分為兩類：“紅背”和“黑寡婦”，它們分別是兩種蜘蛛的名字。在“紅背”狀態的脈衝星系統中，伴星的質量大約為0.1～0.4倍太陽質量，繞轉週期大約為一天。而“黑寡婦”狀態的脈衝星系統伴星質量則小得多，遠小於0.1倍太陽質量，繞轉週期也更短。

現有的天體物理理論猜想，“黑寡婦”脈衝星系統是由“紅背”系統演化而來。但以前這只是個猜想，因為沒有觀測到“紅背”向“黑寡婦”轉變的中間態。為什麼呢？因為中間態的系統繞轉週期太短了，雙星間距太近了，觀測非常困難。

搞清楚了脈衝星，脈衝星雙星系統、紅背和黑寡婦，現在就可以明白開頭這則新聞的重要意義了。

M71E在伴星質量-軌道週期圖上的位置。紅色和藍色的線均表示雙星演化理論模擬的路徑。M71E處於演化中間狀態。

通過中國“天眼”對名為PSR J1953+1844（M71E）的脈衝星雙星系統長期的觀測，科學家們認為這個系統處於“紅背”到“黑寡婦”系統演化的中間狀態。這一發現填補了相關領域的觀測空白，強烈地證實了蜘蛛類脈衝星的演化理論。

從更大的視角來看，中國“天眼”獨有的強大觀測能力極大地豐富了我們對脈衝星家族的認識，在茫茫宇宙中織成了一張脈衝星的信標之網。這些脈衝星有可能組成一個計時陣列，幫助科學家們檢測宇宙尺度上時間的微小變化。

“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）

例如，這種能力可以被用來探測低頻率的引力波，這些引力波可能具有宇宙學的起源，攜帶着早期宇宙的信息，對引力理論提出啓發。中國科學技術大學天文學系蔡一夫教授的團隊就提出，早期宇宙中聲速共振機制所產生的引力波可以被脈衝星計時陣列觀測和檢驗。

所以，這個故事既是天文學的重要發現，也是中國科技進步的生動體現。隨着中國在基礎科學領域的持續投入，來自中國的觀測設備和科研人員將越來越多地為探索人類認知的邊界做出重要貢獻，未來將有數不勝數的科技成果等着我們去發現。