中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)史上最短軌道周期蜘蛛類脈沖星雙星系統(tǒng)

北京時(shí)間2023年6月21日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重要成果。這項(xiàng)成果利用中國天眼FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為PSR J1953+1844（M71E）的雙星系統(tǒng)，其軌道周期僅為53分鐘，刷新了已知脈沖星雙星系統(tǒng)軌道周期的最短記錄。這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)演化模型中的一個(gè)缺失環(huán)節(jié)，對脈沖星的研究具有重要意義。

脈沖星是由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的天體，以其周期性的脈沖信號而聞名。其中，被稱為"毫秒脈沖星"的短周期脈沖星，其周期在1.4毫秒到23秒之間，可以與地球上最精準(zhǔn)的原子鐘相媲美。天文學(xué)家一直在努力尋找和研究脈沖星雙星系統(tǒng)，這些系統(tǒng)由脈沖星和其他恒星組成，彼此繞轉(zhuǎn)。

根據(jù)天體物理學(xué)模型，當(dāng)兩顆星距離非常接近時(shí)，脈沖星會吞噬其伴星的物質(zhì)，并且自身旋轉(zhuǎn)速度會越來越快。隨著雙星系統(tǒng)的演化，伴星的質(zhì)量逐漸減小，脈沖星無法繼續(xù)吞噬物質(zhì)并將伴星推離，這時(shí)兩顆星的相互旋轉(zhuǎn)速度也會變慢。天文學(xué)家將這類系統(tǒng)比作自然界中雌蜘蛛吃掉雄蜘蛛以供養(yǎng)自身的行為，因此將這類天體統(tǒng)稱為蜘蛛類脈沖星。

在過去的觀測中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些脈沖星雙星系統(tǒng)，并研究了它們的演化。但是，蜘蛛類脈沖星從"紅背"狀態(tài)向"黑寡婦"狀態(tài)的演化過程尚未完全得到證實(shí)。這是因?yàn)樵谥虚g演化階段，脈沖星的軌道周期非常短，兩顆星的距離非常接近，對觀測提出了巨大的挑戰(zhàn)。

然而，借助中國天眼FAST的超高靈敏度和強(qiáng)大的探測能力，研究團(tuán)隊(duì)取得了重要突破。他們利用FAST探測到了PSR J1953+1844（M71E）雙星系統(tǒng)，并經(jīng)過長期觀測，確定了該系統(tǒng)兩顆星繞轉(zhuǎn)一周的時(shí)間僅為53分鐘，這是迄今為止已知的繞轉(zhuǎn)速度最快的蜘蛛類脈沖星雙星系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)被確定為處于蜘蛛類脈沖星從"紅背"到"黑寡婦"演化過程的中間狀態(tài)，填補(bǔ)了蜘蛛類脈沖星演化理論的一塊缺失環(huán)節(jié)。同時(shí)，該雙星系統(tǒng)的軌道面幾乎正對地球，這在天文學(xué)中是非常罕見的，我們對進(jìn)一步的研究有著更多期待。

中科院上海天文臺臺長、研究員沈志強(qiáng)表示，這次在球狀星團(tuán)M71中發(fā)現(xiàn)的PSR J1953+1844（M71E）脈沖星具有極其罕見的特點(diǎn)，其自轉(zhuǎn)周期僅為4.44毫秒。“這是脈沖星搜尋與物理研究方面的一個(gè)突破，直接證實(shí)了蜘蛛類脈沖星理論中演化中間態(tài)脈沖雙星的存在。同時(shí)，這也再次展示了FAST超高靈敏度的優(yōu)勢，揭示了它在產(chǎn)生重大科學(xué)突破方面的潛力。”

《自然》期刊的審稿人評價(jià)該成果為發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的脈沖星雙星系統(tǒng)，同時(shí)這一發(fā)現(xiàn)使脈沖星雙星系統(tǒng)的軌道周期最短記錄縮短了約30%，預(yù)示著蜘蛛類脈沖星演化中存在著新的未知過程。

這項(xiàng)研究得到了中國科學(xué)院“穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)”計(jì)劃的支持，同時(shí)還得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、面上項(xiàng)目、聯(lián)合基金，以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。

這項(xiàng)成果的取得不僅在脈沖星研究領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)也進(jìn)一步展示了中國天眼FAST在天文學(xué)研究中的強(qiáng)大能力。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們將能夠更加深入地理解宇宙中這些神秘而精彩的天體現(xiàn)象。