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中國天眼FAST發現軌道周期最短脈沖星系統 為經典雙星演化理論提供關鍵證據

北京時間2023年6月21日，國際學術期刊《自然》在線發表中國科學院國家天文臺科研團隊的一項重要成果。該團隊利用中國天眼FAST發現了一個名為PSR J1953+1844（M71E）的雙星，其軌道周期僅為53分鐘，是目前發現軌道周期最短的脈沖星雙星系統。該發現填補了蜘蛛類脈沖星系統演化模型中缺失的一環。

搜尋和發現射電脈沖星是FAST核心科學目標。脈沖星由恒星演化和超新星爆發產生，因發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。

天文觀測已經發現一些脈沖星處于雙星系統中，和其它恒星一起繞轉。按照已有的天體物理學模型：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，并使自身越轉越快。因恒星初始質量較大，隨著脈沖星蠶食恒星，兩顆星的距離越靠越近，相互繞轉速度也越來越快；隨著雙星系統演化，恒星被大量蠶食后質量變小，脈沖星難以繼續吸積并把恒星推開，其相互繞轉的速度也就變慢。因為這種行為類似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養自身的行為，天文學家就以兩種蜘蛛的名字紅背與黑寡婦來命名這此類天體，統稱為蜘蛛類脈沖星。

從“紅背”到“黑寡婦”脈沖星-恒星系統的演化過程可長達數億年。此前天文學界僅探測到分別處于“紅背”與“黑寡婦”狀態的系統，但并未發現這二者演化的中間狀態。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。因此蜘蛛類脈沖星從“紅背”向“黑寡婦”系統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，長期觀測后確定這一系統兩顆星繞轉一周的時間僅為53分鐘，是目前已發現的繞轉速度最快蜘蛛脈沖星系統。被確定為是處于紅背到黑寡婦系統演化過程的中間狀態，填補了蜘蛛脈沖星演化理論的缺失環節。同時，該雙星系統軌道面近乎朝向地球、極為罕見，期待進一步研究有更多發現。

中科院上海天文臺臺長、研究員沈志強認為這次在球狀星團M71中發現迄今為止軌道周期不到一小時的自轉周期為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言的演化中間態脈沖雙星的存在。同時，這也再次展示了FAST超高靈敏度優勢所蘊含產生重大科學突破的潛力。”

《自然》期刊審稿人評價該成果為發現了一個非常有趣的脈沖星雙星系統；這個發現使得脈沖星雙星系統的軌道周期最短記錄縮短約30%，預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院“穩定支持基礎研究領域青年團隊”計劃支持，得到國家自然科學基金杰出青年基金、面上項目、聯合基金、青年基金，國家重點研發計劃和中國科學院青年創新促進會等的資助。

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