“中国天眼”发现罕见掩食脉冲星

北京时间5月23日，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(dàilǐng)团队利用中国天眼FAST发现了一个罕见的毫秒脉冲星，与伴星以(yǐ)3.6小时的周期相互绕转，且有六分之一的时间被(bèi)伴星遮挡（即掩食，犹如日食(rìshí)或(huò)月食）。这一发现对恒星演化理论、致密星吸积物理和双星并合引力波源研究具有重要意义(yìyì)。

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

天文学家对(duì)于单个恒星如何演化已有(yǐyǒu)相对清晰的(de)认识。但在浩瀚的银河系中，大多数恒星都是成对出现，以(yǐ)双星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)(yǎnhuà)理论认为，质量越大的(de)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(jígāo)的致密星，比如中子星或黑洞。在这个阶段，较小质量的伴星(bànxīng)应该会继续演化。但这颗伴星在演化时，物质会被致密星吸积，伴星会因为质量流失而体积膨胀，甚至膨胀到把致密星揽入怀中，一起在公共的氢元素包层中演化约(yuē)1千年。

在这个过程中，具有强引力的致密(zhìmì)星一方面贪婪(tānlán)吸积伴星的物质，使(shǐ)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，留下伴星中心燃烧的内核(nèihé)。这时的伴星主要靠燃烧的氦元素发光，温度有几万度。

千年之后，经历这一(zhèyī)过程的双星最终留下快速自转的致密星与高温(gāowēn)氦星，在非常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一千万年，对于(duìyú)138亿年的宇宙而言，如同(rútóng)夜空中稍纵即逝的流星。

根据该(gāi)团队所做(zuò)的模拟分析，银河系千亿(qiānyì)颗恒星中，这样的系统在银河系中仅有几十个。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的灵敏度极高(jígāo)，是发现脉冲星(màichōngxīng)的利器，对观察处于极短周期轨道上的脉冲星更为敏锐。2020年5月，韩金林研究员(yánjiūyuán)团队利用(lìyòng)FAST对银河系进行(jìnxíng)脉冲星深度搜索(sōusuǒ)时，发现了一颗自转周期为10.55毫秒的毫秒脉冲星PSR J1928 + 1815。2020年11月，利用FAST进行了几次后(hòu)随观测后，证实它处于一个半径仅50万公里的致密轨道，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被伴星遮挡。据(jù)推测，这个伴星的质量至少有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(xiàng)太阳这样的恒星。根据(gēnjù)多方面(duōfāngmiàn)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，而应该是经历过公共(gōnggòng)包层演化的氦星。脉冲星信号掩食是氦星甩出的星风物质遮挡引起的。

这一罕见天体的发现(fāxiàn)可以(kěyǐ)为天文学研究带来多方面的突破。首先，对于探索多年的恒星演化理论(lǐlùn)而言，这个双星(shuāngxīng)系统就是双星公共包层演化阶段之后、处于致密轨道(guǐdào)的特殊(tèshū)双星。这项发现有助于完善和深化我们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、中子星的自转如何加速到几个毫秒，公共氢元素包层如何被致密星吹散等等。其次，这个中子星在公共包层里应该在很短时间里吸积(xījī)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(yígè)重要(zhòngyào)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。

该论文审稿人之一，美国国家射电天文台的脉冲星双星研究专家Scott Ransom表示，“这是(shì)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(lǐngyù)——如恒星群体演化(yǎnhuà)、引力波源预测(yùcè)、双星和恒星演化过程、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，使得我们对双星演化中公共(gōnggòng)包层阶段这一目前仍知之甚少的领域有更深入(shēnrù)的认识”。