今日报丨中国天眼发现轨道周期最短脉冲星系统，蜘蛛类脉冲星又添新成员

北京时间2023年6月21日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国天眼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，是目前发现的轨道周期最短的脉冲星双星系统。该发现填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。

中国天眼已发现近800颗脉冲星

(资料图片仅供参考)

据论文第一作者、国家天文台副研究员潘之辰介绍，脉冲星非常小，其半径通常为10千米至15千米，密度极高，达1亿吨每立方厘米，自转很快，自转周期在1.39毫秒-76秒之间。脉冲星的发现获得了诺贝尔奖，它与类星体、分子谱线、宇宙微波背景辐射并称为20世纪60年代射电天文的四大发现，它们使射电天文得以快速且蓬勃地发展。

“脉冲星的强磁场、强引力场是非常难得的极端条件实验室。”他说，脉冲星中包括一些特殊类型脉冲星，比如自转周期小于30毫秒的毫秒脉冲星、脉冲双星等，搜索发现这类特殊类型的脉冲星是取得前沿研究突破的第一步。

中国天眼FAST自2017年运行以来，已经发现了近800颗脉冲星，是同时期世界上其他所有射电望远镜所发现的脉冲星数量总和的三倍以上。

从“红背”演化到“黑寡妇”，此前中间状态未被观测到

据悉，过半的恒星处于双星系统中。目前人类已知的3000余颗脉冲星中，约有10%处于双星系统中，和其他恒星一起绕转，这些脉冲星的自转周期大多短于30毫秒。超过60%的脉冲星双星系统轨道周期长于1天。

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。由于双星角动量损失，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，当恒星被大量蚕食，质量小到一定值后，双星间距会变大，其相互绕转的速度也就变慢。

因为这种行为类似于自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛以供养自身的行为，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)。

潘之辰具体介绍称，红背蜘蛛脉冲星的伴星质量在0.1-0.4倍的太阳质量之间，轨道周期小于一天，脉冲星信号大概率被伴星遮挡，脉冲星和伴星相互作用强。黑寡妇蜘蛛脉冲星的伴星小于0.03倍太阳质量，轨道周期数小时，双星间的相互作用弱。

从“红背”到“黑寡妇”，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，对观测形成了极大的挑战。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被证实。

填补蜘蛛类脉冲星演化理论的缺失环节

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，经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的蜘蛛类脉冲星系统。M71E双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，从而填补了蜘蛛类脉冲星演化理论的缺失环节。该系统中伴星的质量推测为0.07倍的太阳质量，科研团队用中国本土蜘蛛——“华美寇蛛”为该系统中的蜘蛛类脉冲星命名。

潘之辰说：“双星互相绕转过程中，脉冲星信号大概率被伴星遮挡，增加了射电望远镜的搜索难度。但FAST灵敏度非常高，仅用5分钟就抓到了该系统的信号，比其他设备观测1至2小时所得到的信号还要优秀。”

《自然》期刊审稿人评价，该成果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在演化中存在着新的未知过程。