“双星”专访中国天眼FAST总工程师：发现轨道周期最短脉冲星双星系统，填补双星演化过程中缺失的中间环节

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来源：DeepTech深科技

“FAST 转入调试阶段之后，我开始接替南仁东先生担任中国天眼总工程师。FAST 的全新设计理念注定我们不可能有任何成功的经验可供参考，我们必须建立适用于 FAST 特殊工作方式的测量与控制法体系。”2023 年 3 月 7 日，在十四届全国人大一次会议第二场代表通道上，中国天眼 FAST 总工程师、中国科学院国家天文台研究员姜鹏讲述了自己和 FAST 的故事。

国家天文台潘之辰副研究员、卢吉光和云南天文台陈海亮是共同一作，国家天文台姜鹏研究员和韩金林研究员、以及美国内华达州大学张冰教授担任共同通讯作者。

发现新的脉冲星到底意义何在？这得从 1967 年说起，当时英国天文学家乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell Burnell）发现了一种新的天体——脉冲星，这一发现获得 1974 年诺贝尔物理学奖，她也因此被誉为“脉冲星之母”。

这种天体能发出非常准确的周期性的射电脉冲，就像是某种智慧生命所发出的信号，早期人们也猜测过这会否是宇宙中的其它文明所发出的。

不过，后来人们观测到越来越多的脉冲星辐射特征，科学家也确认它是一种特殊的天体，并把它和前苏联物理学家列夫·朗道（Lev Davidovich Landau）在 20 世纪 30 年代所预言的中子星关联起来。

通过进一步的观测和分析，天文学家认为它的质量比太阳稍大，但是半径只有 10 公里左右，并带有较强的磁场。

一般认为，脉冲星的射电辐射来自于它自身的高速自转和其自身磁场、物质相互作用。磁场在转动时通过电磁感应原理感生出来强的电场，强电场则能推动粒子加速产生辐射。

这种天体还具有强电磁场与强引力场。因此依靠人类在地球上的实验室，很难制造出来这种磁场。它的密度超过核物质密度，在地球上的实验室里更是难以达到。这些极端的条件使得脉冲星成为了天然的强场实验室。

通过研究脉冲星，可以对强场物理进行深入研究，从而推动基础科学的发展。1974 年，美国物理学家拉赛尔·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）发现了一颗射电脉冲星 PSR B1913+16，并证明它与另一颗中子星组成了一个双星系统。

瑞典皇家科学院认为该发现“为有关引力的研究提供了新的机会”，并且这个双星系统成功地用于检验爱因斯坦最大胆的预言之一: 物体加速运动发出引力波。凭借此，他们二人共同分享了 1993 年诺贝尔物理学奖。

那么，本次星星是怎么发现的？姜鹏表示：“事实上，本次系统是在两个脉冲星搜寻项目中被发现的。一个是韩金林老师领导的银道面巡天项目，另一个是我们团队潘之辰负责的球状星团队脉冲星搜索项目。”

当时，前者找到了这颗脉冲星的信号，确定其是脉冲星双星系统，但轨道尚未得到确定。后者和 FAST 团队的同事们一起在 FAST 历史观测数据中独立发现了这一信号，并确定其轨道周期是 53 分钟。

这个参数是十分罕见的，整个研究团队感到十分兴奋，立刻着手对这个系统着手进行分析。分析分为三个方面：

一方面，他们联系云南天文台韩占文院士团队，从脉冲星双星演化理论的角度分析这一系统的形成机制，并确定它在演化过程中所处的状态。随着分析结果的陆续出炉，他们愈发相信这样短的轨道周期预示着这个双星系统不平凡的形成历程，其背后有着更多的未知之谜等待揭示；

另一方面，他们借助脉冲星的参数来对这颗脉冲星的辐射进行折叠，从而获得高精度的脉冲形状。期间，他们收集了所有的数据，并投入了所有可以使用的观测时间，前后历经超过两年时间；

第三方面，在美国内化达大学张冰教授的指导下，课题组深入讨论了脉冲双星的演化系列和通过洛希瓣限制伴星半径的条件、增加了相应的科学内容，文章的科学意义得到了很大程度提升。在他的提示下寻找这颗星的 X 射线对应体并研究了 X 射线观测数据的可能科学意义。

北京大学徐仁新教授是文章合作者之一，自研究的开始阶段起即参与了研究，他在双星演化，脉冲星辐射机制和轨道状态分析方面提供了的协助，还无微不至地协助文章的语言文字修改。本文的所有合作者都在研究工作中积极参与，贡献自己的知识，提出自己的意见，提升研究的意义。

在这次研究之中，双星演化的模型推演令人十分难忘。姜鹏表示：“一开始，我们发现在一般的模型框架下，双星很难演化出 53 分钟轨道周期的这一参数，这显然是不合理的，因为我们的观测证实了这种系统的存在。”

随着研究的推进，他们发现脉冲星双星演化过程是极为复杂的，这一过程涉及双星系统的重元素丰度、双星系统和其附近的球状星团 M71 的关系、双星系统的可能的演化年龄范围、伴星可能的类型和质量、轨道面和观测者视线方向等等诸多方面。

对于脉冲星双星系统演化的极限轨道周期，这些因素都会带来一定影响。在各种因素的综合作用之下，脉冲星双星演化轨道的极限可以被压得非常低，也因此目前的双星演化理论中存在大量需要讨论的内容。

于是，姜鹏和合作者在模型细节之中层层探索，最终才得出论文中的结论。期间，他们根据洛希瓣来限制伴星大小，这一想法在模型限制方面起到至关重要的作用。

“同时，这也充分体现了科研的复杂性，就算很多基础理论是极其干净简洁的，实际面对的系统依然是极其复杂和难以预测的。”姜鹏感慨称。

另外，此次发现的双星系统轨道周期只有 53 分钟。在脉冲星的搜寻中，这样短周期轨道的脉冲星双星系统是极难被发现的，这是由于他们事先并不知道这个轨道的周期和其它相关参数。

因此，在搜寻的过程需要耗费大量的计算资源，充分发挥 FAST 灵敏度优势，尝试各种可能的脉冲星信号搜索方法，这一过程耗时巨大、产出概率非常低。

研究期间，课题组使用短时间的观测进行搜索，然后把结果拼接回去，最终确定了这颗星的双星参数。

“一来，这反映了作为科研人员认真负责的研究态度与灵活机变的科学精神；二来，这也说明 FAST 望远镜作为是世界上最灵敏的单口径射电望远镜，它的超高灵敏度对科学确实具有强大的推进作用。”姜鹏说。

未来，课题组也希望能继续使用 FAST 来开展对于 M71E 的监测，观测得越持续就能带来更多可能。另一方面，他们也在收集更多的多波段的观测数据，借此作为佐证来进一步限制模型。

1.Pan, Z., Lu, J.G., Jiang, P. et al. A Binary Pulsar in a 53-minute Orbit. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06308-w

排版：刘雅坤

好了，关于专访中国天眼FAST总工程师：发现轨道周期最短脉冲星双星系统，填补双星演化过程中缺失的中间环节就讲到这。