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中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)軌道周期最短脈沖星系統(tǒng) 為經(jīng)典雙星演化理論提供關(guān)鍵證據(jù)

北京時間2023年6月21日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表中國科學(xué)院國家天文臺科研團(tuán)隊的一項重要成果。該團(tuán)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)。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)。

搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星是FAST核心科學(xué)目標(biāo)。脈沖星由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生，因發(fā)射周期性脈沖信號而得名，周期在1.4毫秒到23秒之間。被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，可以與地球上最好的原子鐘相媲美。

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與黑寡婦來命名這此類天體，統(tǒng)稱為蜘蛛類脈沖星。

從“紅背”到“黑寡婦”脈沖星-恒星系統(tǒng)的演化過程可長達(dá)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(tuán)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)。同時，該雙星系統(tǒng)軌道面近乎朝向地球、極為罕見，期待進(jìn)一步研究有更多發(fā)現(xiàn)。

中科院上海天文臺臺長、研究員沈志強認(rèn)為這次在球狀星團(tuán)M71中發(fā)現(xiàn)迄今為止軌道周期不到一小時的自轉(zhuǎn)周期為4.44毫秒的脈沖星，實屬罕見。“這是脈沖星搜尋與物理研究方面的一個突破，直接證實了蜘蛛類脈沖星理論所預(yù)言的演化中間態(tài)脈沖雙星的存在。同時，這也再次展示了FAST超高靈敏度優(yōu)勢所蘊含產(chǎn)生重大科學(xué)突破的潛力。”

《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)的軌道周期最短記錄縮短約30%，預(yù)示著蜘蛛類脈沖星演化中存在新的未知過程。

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(tuán)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(jìn)會等的資助。

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