天眼FAST发现“跳华尔兹”的脉冲双星

近日，中国科学家宣布利用我国五百米口径球面射电望远镜(FAST;俗称：“天眼”望远镜)，在武仙座球状星团(M13)中发现一颗脉冲双星。相关论文即将发表在国际著名天文学刊物《天体物理学报》上。

截图自https：//arxiv.org/abs/2002.05938

这是FAST发现的第一颗脉冲双星。

这一颗脉冲星还有三个关键词：脉冲双星，毫秒脉冲星，球状星团脉冲星。

Part.1

它是一颗“脉冲双星”

天文学上把两颗挨得很近的恒星称为“双星”。

这里说的“挨得很近”有两层意思，第一种情况是只是看起来挨得很近，而实际上两者的空间距离很远，没有物理联系，称之为“光学双星”;另一种是空间位置上就是挨得很近，两者之间有物理联系，会相互绕转，称之为“物理双星”。

在脉冲星领域中，如果提到双星，都是指物理双星。脉冲星相关双星系统又分为两种：如果双星中只有一颗是脉冲星，那就叫“脉冲双星”;如果双星系统两颗星都是脉冲星，那就叫“双脉冲星”。

动图：脉冲双星

FAST这次发现的是一颗处于双星系统中的脉冲星。经过对这颗脉冲星多次观测，天文学家估算出，和这颗脉冲星在一起的另一颗恒星应该是一颗质量大约为太阳0.16倍的白矮星。

Part.2

它还是一颗毫秒脉冲星

FAST这次发现的脉冲双星，还是一颗毫秒脉冲星。

早在2018年FAST在伽马射线源中发现一颗毫秒脉冲星的时候，我们就比较详细地介绍过脉冲星的分类以及何为毫秒脉冲星。简单地说，毫秒脉冲星是一类自转速度较快且自转速度较稳定的脉冲星。

目前公认的毫秒脉冲星诞生及演化理论认为，毫秒脉冲星形成于一个类似于跳“华尔兹”的过程：即处于双星系统中的两颗星星，长得胖的(即：主星)会先经历超新星爆发，抛出自身一部分物质，此时如果它的“舞伴”(即：伴星)比较瘦弱就会被快速地踢出，同时双星系统瓦解，而主星爆炸后留下部分会塌缩形成快速旋转的中子星;如果伴星的“体重”足以抵御超新星爆发产生的冲击，就会留在之前的双星系统中，与新形成的中子星继续这段“华尔兹”直到生命的尽头。

中子星南北磁极的辐射束如果能随着自转不断地扫过地球，那就是我们所说的脉冲星。

动图：脉冲星星 在线闪灯

而处于双星系统中的脉冲星，可以通过吸收伴星的物质而加速自转，变成一颗毫秒脉冲星。

中子星-白矮星和双中子星双星系统演化模型http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf

需要注意的是，如果双中子星系统中只有一颗表现为脉冲星，那该系统也是脉冲双星，而非双脉冲星。

Part.3

没结束，它还是一颗球状星团脉冲星

FAST这次的发现，是天文学家有意地在球状星团中进行脉冲星搜寻而找到的。处于球状星团中的脉冲星就是球状星团脉冲星。

为什么要在球状星团里面找脉冲星?这要先说说球状星团是什么。

顾名思义，球状星团就是球状的星团。它们通常长成这个样子：

这是望远镜看到的图像。肉眼观看的话，这些密密麻麻的恒星聚集在一个比满月还小的天空范围之内。

众多的恒星被强大的引力束缚在一起，“挤”在一个球形空间中，而且越靠近中心，密度越高，这就是球状星团。球状星团中恒星的密度是我们周围银河系恒星密度的100至1000倍。目前，银河系中发现的球状星团超过150个，其中有30个左右是可以被FAST看到的。

球状星团密集的恒星环境为脉冲星寻找和交换“舞伴”创造了非常有利的条件，因此更有可能产生双星甚至多星系统。

对此，天文学家有很多问题想要了解，比如：

这样一段段的“华尔兹”到底会将脉冲星的自转加速到多快呢?

他们会找来什么样的“舞伴”呢?

会不会有脉冲星找来好几个“舞伴”一起来跳圆圈舞呢?

目前的观测结果也为天文学家的各种猜想提供了有力佐证。

下面就是天文学家在球状星团中发现的一些有意思的脉冲星系统：

1) 1991年Prince在球状星团M15中发现了一个双中子星系统。

2) 1999年Thorsett等人在球状星团M4中发现了一个三星系统，分别为一颗脉冲星PSR B1620-26 ，一颗白矮星以及一颗质量接近木星的伴星。

3) 2006年荷兰人Hessels在球状星团Terzan 5中发现自转最快的脉冲星PSR J1748-2446ad，每秒钟转716圈。

4) 2008年Freire等人在球状星团M5中发现疑似目前为止质量最大的脉冲星PSR B1516+02b。

Part.4

发现这些“特别”脉冲星，有什么用呢?

天文学家预言，中子星最快的转动速度大约为每秒钟转700圈。目前已知转速最快的脉冲星，每秒钟转716圈，与理论预言相符。

但是，如果我们发现一颗转的很快的脉冲星，比如每秒钟转超过1000圈甚至2000圈，那就对我们现在对中子星的理解提出了挑战，是我们理解的不对，还是说此时的脉冲星已经不再是中子星，而是夸克星、夸克集团星或者其他什么奇怪的东西?

这些问题的答案，在真正发现这样的脉冲星之前无从知晓。

但是唯一肯定的是，如果发现转速远超预期的脉冲星，那么我们对中子星物理状态的理解将改写。这将会是一个划时代的发现。

而如果我们足够幸运，看到一颗脉冲星在“交换舞伴”的活动中被一个恒星级黑洞捕获，那将成为检验引力理论天然的理想实验室。这或许会为爱因斯坦广义相对论“屹立不倒”提供又一份有力的支持。

研究球状星团脉冲星会帮助解答我们关于球状星团自身的疑问。

处于球状星团强大引力中的脉冲星可以成为直接研究球状星团引力分布的有利工具，有希望证实球状星团中心中等质量黑洞的存在;还可以通过测量球状星团脉冲星的自行来推测星团自身的自行，从而得到球状星团在银河系引力中的运动轨道。另外，球状星团脉冲星还可解释星团中电离气体、磁场分布以及星团内部恒星相互作用方式等。

Part.5

结语

2020年1月11日，FAST通过国家验收正式上岗。相信未来FAST会帮助天文学家发现更多有意思的脉冲星，让人类进一步掀开宇宙神秘的面纱。

关键词： 脉冲双星 天眼