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(資料圖)

北京時間2023年6月21日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表中國天眼FAST取得的一項重要成果。研究團隊利用中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)(圖1)。該發(fā)現(xiàn)填補了蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)演化模型中缺失的一環(huán)。

天文觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些脈沖星處于雙星系統(tǒng)中，和其它恒星一起繞轉(zhuǎn)。按照已有的天體物理學(xué)模型：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(zhì)，并使自身越轉(zhuǎn)越快。因恒星初始質(zhì)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(zhuǎn)速度也越來越快；隨著雙星系統(tǒng)演化，恒星被大量蠶食后質(zhì)量變小，脈沖星難以繼續(xù)吸積并把恒星推開，其相互繞轉(zhuǎn)的速度也就變慢。因為這種行為類似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養(yǎng)自身的行為，天文學(xué)家就以兩種蜘蛛的名字紅背(redback)與黑寡婦(black widow)來命名這類天體，統(tǒng)稱為蜘蛛類脈沖星(spider pulsar)。

從“紅背”(redback)到“黑寡婦”(black widow) 脈沖星-恒星系統(tǒng)的演化過程可長達數(shù)億年。此前天文學(xué)界僅探測到分別處于“紅背”與“黑寡婦”狀態(tài)的系統(tǒng)，但并未發(fā)現(xiàn)這二者演化的中間狀態(tài)。原因是在此階段的脈沖星軌道周期非常短、兩個星的距離非常近，對觀測提出了極大的挑戰(zhàn)。因此蜘蛛類脈沖星從“紅背”向“黑寡婦”系統(tǒng)的演化理論尚未完全證實。

借助中國天眼FAST的超高靈敏度和極強探測能力，這一演化路徑得到證實。研究團隊使用FAST探測到M71E雙星系統(tǒng)，長期觀測后確定這一系統(tǒng)兩顆星繞轉(zhuǎn)一周的時間僅為53分鐘，是目前已發(fā)現(xiàn)的繞轉(zhuǎn)速度最快蜘蛛脈沖星系統(tǒng)。被確定為是處于紅背到黑寡婦系統(tǒng)演化過程的中間狀態(tài)，填補了蜘蛛脈沖星演化理論的缺失環(huán)節(jié)(圖2)。同時，該雙星系統(tǒng)軌道面近乎朝向地球、極為罕見，期待進一步研究有更多發(fā)現(xiàn)。

《自然》期刊審稿人評價該成果為發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的脈沖星雙星系統(tǒng)；這個發(fā)現(xiàn)使得脈沖星雙星系統(tǒng)的軌道周期最短紀(jì)錄縮短約30%，預(yù)示著蜘蛛類脈沖星演化中存在新的未知過程。

文章的共同第一作者包括國家天文臺潘之辰、盧吉光和云南天文臺陳海亮；通訊作者包括國家天文臺姜鵬、韓金林和美國內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校張冰，合作者來自貴州大學(xué)貴州射電天文臺，云南天文臺，上海天文臺，國家授時中心，北京大學(xué)，中國科學(xué)院大學(xué)，德國馬克思普朗克研究所，美國內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校等多家國內(nèi)外單位。

此項研究得到中國科學(xué)院“穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊”計劃支持，得到國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、面上項目、聯(lián)合基金、青年基金，國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等的資助。