“中国天眼”发现罕见掩食脉冲星

北京时间5月23日(rì)，国际学术期刊《科学》在线发表中国科学家一项最新研究成果。中国科学院国家天文台韩金林研究员带领团队(tuánduì)利用中国天眼FAST发现了一个罕见的(de)毫秒脉冲星，与伴星以3.6小时的周期相互绕转，且有六分之一的时间被伴星遮挡（即掩食，犹如日食或月食）。这一发现对恒星演化(yǎnhuà)理论、致密星吸积物理和双星(shuāngxīng)并合引力波源研究具有重要意义(yìyì)。

“中国(zhōngguó)天眼”发现罕见掩食脉冲星。（中国科学院国家天文台供图）

天文学家对于单个(dāngè)恒星如何(rúhé)演化(yǎnhuà)已有相对清晰的认识。但在浩瀚的银河系中，大多数恒星都是成对出现，以双星(shuāngxīng)系统的形式共同演化，过去几十年里，双星系统如何交互和演化一直是天文学领域的前沿难题。

恒星演化(yǎnhuà)理论认为，质量(zhìliàng)越大的恒星演化速度越快。在双星系统中，较大质量的恒星一般会率先演化，最后塌缩成密度极高的致密(zhìmì)星，比如中子星或黑洞。在这个阶段，较小质量的伴星应该会继续演化。但这颗(zhèkē)伴星在演化时，物质会被致密星吸积，伴星会因为质量流失而(ér)体积膨胀，甚至膨胀到把致密星揽入怀中，一起在公共(gōnggòng)的氢元素包层中演化约1千年。

在这个过程中，具有强引力的致密星一方面(yìfāngmiàn)贪婪吸积伴星的物质，使其自转加快。另外一方面，致密星与伴星相互绕转的过程中，把公共的氢包层全部吹散，留下伴星中心燃烧(ránshāo)的内核。这时的伴星主要(zhǔyào)靠燃烧的氦(hài)元素发光，温度有几万度。

千年之后，经历这一过程的(de)双星最终留下快速自转的致密星与高温氦星，在非常(fēicháng)紧密的轨道上相互绕转。然而，这类特殊的双星系统在宇宙中存活时间仅约(jǐnyuē)一千万年，对于138亿年(yìnián)的宇宙而言，如同夜空中稍纵即逝的流星。

根据该团队所做的模拟分析(fēnxī)，银河系千亿颗恒星中，这样的系统在银河系中仅(zhōngjǐn)有几十个。因此，它们极为罕见，且难以观测。所以，天文学家推断(tuīduàn)的双星系统共公包层演化的理论也长期缺乏直接(zhíjiē)观测证据的支持。

中国天眼FAST的(de)(de)灵敏度极高，是发现脉冲星的利器，对观察处于极短周期轨道(guǐdào)上的脉冲星更为(wèi)敏锐。2020年5月，韩金林研究员团队利用FAST对银河系进行脉冲星深度搜索时，发现了(le)一颗自转周期为10.55毫秒(háomiǎo)的毫秒脉冲星PSR J1928 + 1815。2020年11月，利用FAST进行了几次后随观测后，证实它处于一个半径仅50万公里(wàngōnglǐ)的致密轨道，相互绕转的轨道周期仅为3.6小时。它与伴星相互绕转时，有大约六分之一的时间(shíjiān)被伴星遮挡。据(jù)推测，这个(zhègè)伴星的质量至少有1个太阳那么重，远超出一般掩食脉冲星的伴星，但狭小的轨道根本容不下一个像太阳这样的恒星。根据多方面的限制推断，这个伴星不是普通恒星，也不是演化后的致密伴星，而应该(yīnggāi)是经历过公共包层(bāocéng)演化的氦星。脉冲星信号掩食是氦星甩出的星风物质遮挡引起的。

这一罕见天体的(de)发现可以为(wèi)天文学研究带来(dàilái)多方面的突破。首先，对于探索多年的恒星演化(yǎnhuà)理论而言，这个双星系统就是双星公共包层演化阶段之后、处于致密(zhìmì)轨道的特殊双星。这项发现有助于完善和(hé)深化我们(wǒmen)对双星演化具体过程的理解，比如两颗星如何靠近导致轨道收缩、两颗星之间如何进行物质交流、中子星的自转(zìzhuàn)如何加速到几个毫秒，公共氢元素包层如何被(bèi)致密星吹散等等。其次，这个中子星在公共包层里应该在很短时间里吸积了大量物质，使脉冲星自转加快。如何吸积？如何散热(sànrè)？新发现的这个致密双星可能是中微子散热机制理论的一个重要例证。另一方面，新发现的稀有双星可以演化成为引力波源，为致密双星并合和引力波的产生机制提供了新的限制。

该论文(lùnwén)审稿人之一，美国国家射电天文台的(de)脉冲星双星(shuāngxīng)研究专家Scott Ransom表示，“这是个独特的致密双星系统，具有极高的科学价值，有望在多个不同领域——如恒星群体演化、引力波源预测、双星和恒星演化过程(yǎnhuàguòchéng)、深度光学/红外的氦星观测等方面引导出很多有趣的研究课题，使得(shǐde)我们对双星演化中公共包层阶段这一目前仍知之甚少(zhīzhīshènshǎo)的领域有更深入的认识”。