“中國天眼”發現罕見掩食脈衝星

人民網北京5月23日電 (記者趙竹青)北京時間2025年5月23日，國際學術期刊《科學》在線發表中國科學家一項最新研究成果。中國科學院國家天文臺韓金林研究員帶領團隊利用中國天眼FAST發現了一個罕見的毫秒脈衝星，與伴星以3.6小時的週期相互繞轉，且有六分之一的時間被伴星遮擋(即掩食，猶如日食或月食)。這一發現對恆星演化理論、緻密星吸積物理和雙星併合引力波源研究具有重要意義。

天文學家對於單個恆星如何演化已有相對清晰的認識。但在浩瀚的銀河系中，大多數恆星都是成對出現，以雙星系統的形式共同演化，過去幾十年裡，雙星系統如何交互和演化一直是天文學領域的前沿難題。

恆星演化理論認爲，質量越大的恆星演化速度越快。在雙星系統中，較大質量的恆星一般會率先演化，最後塌縮成密度極高的緻密星，比如中子星或黑洞。在這個階段，較小質量的伴星應該會繼續演化。但這顆伴星在演化時，物質會被緻密星吸積，伴星會因爲質量流失而體積膨脹，甚至膨脹到把緻密星攬入懷中，一起在公共的氫元素包層中演化約1千年。

在這個過程中，具有強引力的緻密星一方面貪婪吸積伴星的物質，使其自轉加快。另外一方面，緻密星與伴星相互繞轉的過程中，把公共的氫包層全部吹散，留下伴星中心燃燒的內核。這時的伴星主要靠燃燒的氦元素髮光，溫度有幾萬度。

千年之後，經歷這一過程的雙星最終留下快速自轉的緻密星與高溫氦星，在非常緊密的軌道上相互繞轉。然而，這類特殊的雙星系統在宇宙中存活時間僅約一千萬年，對於138億年的宇宙而言，如同夜空中稍縱即逝的流星。

根據該團隊所做的模擬分析，銀河系千億顆恆星中，這樣的系統在銀河系中僅有幾十個。因此，它們極爲罕見，且難以觀測。所以，天文學家推斷的雙星系統共公包層演化的理論也長期缺乏直接觀測證據的支持。

中國天眼FAST的靈敏度極高，是發現脈衝星的利器，對觀察處於極短週期軌道上的脈衝星更爲敏銳。2020年5月，韓金林研究員團隊利用FAST對銀河系進行脈衝星深度搜索時，發現了一顆自轉週期爲10.55毫秒的毫秒脈衝星PSR J1928 + 1815。2020年11月，利用FAST進行了幾次後隨觀測後，證實它處於一個半徑僅50萬公里的緻密軌道，相互繞轉的軌道週期僅爲3.6小時。它與伴星相互繞轉時，有大約六分之一的時間被伴星遮擋。據推測，這個伴星的質量至少有1個太陽那麼重，遠超出一般掩食脈衝星的伴星，但狹小的軌道根本容不下一個像太陽這樣的恆星。根據多方面的限制推斷，這個伴星不是普通恆星，也不是演化後的緻密伴星，而應該是經歷過公共包層演化的氦星。脈衝星信號掩食是氦星甩出的星風物質遮擋引起的。

這一罕見天體的發現可以爲天文學研究帶來多方面的突破。首先，對於探索多年的恆星演化理論而言，這個雙星系統就是雙星公共包層演化階段之後、處於緻密軌道的特殊雙星。這項發現有助於完善和深化我們對雙星演化具體過程的理解，比如兩顆星如何靠近導致軌道收縮、兩顆星之間如何進行物質交流、中子星的自轉如何加速到幾個毫秒，公共氫元素包層如何被緻密星吹散等等。其次，這個中子星在公共包層裡應該在很短時間裡吸積了大量物質，使脈衝星自轉加快。如何吸積？如何散熱？新發現的這個緻密雙星可能是中微子散熱機制理論的一個重要例證。另一方面，新發現的稀有雙星可以演化成爲引力波源，爲緻密雙星併合和引力波的產生機制提供了新的限制。

該論文審稿人之一，美國國家射電天文臺的脈衝星雙星研究專家Scott Ransom表示，“這是個獨特的緻密雙星系統，具有極高的科學價值，有望在多個不同領域——如恆星羣體演化、引力波源預測、雙星和恆星演化過程、深度光學/紅外的氦星觀測等方面引導出很多有趣的研究課題，使得我們對雙星演化中公共包層階段這一目前仍知之甚少的領域有更深入的認識”。