FAST发现罕见“毒蜘蛛” 或处在罕见中间状态

“中国天眼”FAST不是全球最大的射电望远镜吗？它怎么会去捉蜘蛛呢？？原来，它捉的是天上的“毒蜘蛛”——一种特殊的脉冲星双星系统。

（来源：中国科学院国家天文台）

北京时间2023年6月21日，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了“中国天眼”FAST取得的一项最新成果。研究团队利用中国天眼FAST确认了一个名为PSR J1953+1844（M71E）的脉冲星双星系统，其轨道周期仅为53分钟，是目前已知轨道周期最短的脉冲星双星系统。该发现或许也将填补“蜘蛛类脉冲星”系统演化模型中缺失的一环。

Nature网页截图

说到球蛛科（Theridiidae）寇珠属（Latrodectus），或许很多人反应不过来，但如果提到它的俗名“黑寡妇”，大概算得上家喻户晓了。这是世界上毒性最强的蜘蛛之一，又因雌性蜘蛛在交配完后会将雄性蜘蛛吃掉而得其名。脉冲星（pulsar）是指一种拥有短周期脉冲辐射的天体，主要是中子星，是大质量恒星死亡后的结局之一。那么这两种东西怎么会产生关联呢？

与许多恒星相似，一些脉冲星处于双星系统中，有的是和其它恒星一起绕转，有的则是两颗脉冲星相互绕转。如果两颗星过于接近，那么脉冲星会吸积身旁另一颗恒星（伴星）的物质。就像水壶对着一个方向朝漏斗中冲水一样，物质的坠落会使脉冲星自身越转越快，甚至快到转一圈只有几个毫秒；与此同时，两颗星的距离也会逐渐越近，相互绕转速度也越来越快，绕转周期短至数小时。这种情况像极了自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为，因而将这类脉冲星双星系统称为蜘蛛类脉冲星（spider pulsar）。 但随着伴星被大量蚕食后质量变小，脉冲星难以继续吸积，两者不再继续靠近；再加之伴星受到脉冲星风和辐射的摧残，甚至还会被推得更远些，相互绕转的速度反而会变慢。 当伴星质量非常小（例如小于0.1个太阳质量），这种脉冲星双星系统被称为黑寡妇脉冲星（black widow pulsar）；如果伴星质量比较大，它就被称为红背蜘蛛脉冲星（redback pulsar）。其实这个脉冲星较为学术的名称是食双星毫秒脉冲星（eclipsing binary millisecond pulsars）。

红背蜘蛛（来源：Peter Yeeles/Shutterstock.com）

脉冲星 PSR J1953+1844 是2021年被“中国天眼”FAST发现的，位于球状星团M71附近。根据其脉冲信号，研究人员确定其为双星，于是自2021年9月起安排了后续的观测。通过脉冲星计时测量得出了它的自转、轨道等信息，发现双星绕转周期仅为53.3分钟。此前的纪录保持者是75分钟的 J1653-0158（伽马射线）和62分钟的 ZTF J1406+1222（光学）。FAST依靠极高的灵敏度和分辨率探测出 PSR J1953+1844 的位置距离M71星团的中心约 2.5 角分。在调用其他波段数据库后，发现钱德拉X射线望远镜在这个位置上存在对应物，而光学（SDSS）、红外（2MASS）或伽马射线（“费米”卫星）都没找到对应物。M71的视直径为7.2角分，但因为 PSR J1953+1844 不在 M71 核心位置，因此不太确定它是否在 M71 内，所以研究人员临时给它一个编号 M71E。

左：红色箭头指示M71E的位置，旁边是球状星团M71（来源：星明天文台）；右：来自FAST观测数据的M71E的平均脉冲轮廓和偏振位置角（来源：Pan, Z. et al. 2023）

如果假定这对双星轨道侧向面对我们，并假设脉冲星的质量为典型的1.4倍太阳质量，那么这颗伴星的质量能小至0.008倍太阳质量。然而这仅仅是假设了一种理想的模型，因为任何波段的观测均未发现它们存在相互掩食的情况，因此它们轨道的倾角应该不会很小。据此，研究团队首先排除了伴星为白矮星的可能，因为白矮星的理论质量下限为0.14M⊙（已知最低为0.16M⊙），若要求形成2.0M⊙的脉冲星+0.16M⊙的白矮星，它们的轨道一定要正对我们。

就蜘蛛类脉冲星的情况而言，一种更容易被接受的情形是：一颗风烛残年的矮星——它已经被脉冲星的星风和辐射剥离得体无完肤。这种模型中，洛希瓣的极限可以对质量进行很好的限制。对于质量在 1.0~2.0M⊙ 的脉冲星而言，允许的伴星质量在 0.047~0.097M⊙ 之间，这种情况下双星的轨道倾角在 3.8°~12.1° 之间，比较符合观测结果。

“黑寡妇”脉冲星系统演示动画（来源：NASA Goddard Flight Center）

如果将目前已知的所有“蜘蛛类脉冲星”，也就是短周期（<1天）脉冲星双星系统放在一起进行归纳分析，你会发现，当假定脉冲星的质量为 1.4M⊙ 时，伴星的质量在 0.1M⊙ 处出现了一个分界，将这些“蜘蛛类脉冲星”分成了两个星群。就如我们前文所提到的，伴星质量小于 0.1M⊙ 的就是“黑寡妇”，伴星质量大于 0.1M⊙ 的就是“红背蜘蛛”，而 PSR J1953+1844 系统中的伴星质量可能小于 0.1M⊙，然而它恰好就位于“黑寡妇”和“红背”之间！

M71E在伴星质量-轨道周期图上的位置。红色和蓝色的线均表示双星演化理论模拟的路径。M71E处于演化中间状态。 （来源：Pan, Z. et al. 2023/国家天文台）

换言之，在此之前，天文学界探测到的，要么是“红背”状态的脉冲星双星系统，要么是“黑寡妇”状态的系统，尚未发现介于二者之间的状态。虽然理论上认为“蜘蛛类脉”脉冲星系统会从“红背蜘蛛”状态向“黑寡妇”状态演化（至少有一部分是这样），且演化过程可长达数亿年，但由于“中间状态”的双星系统轨道周期非常短，两个天体的距离也非常近，所以观测难度颇大。因此，该演化理论尚未完全得到证实。这就是为什么 PSR J1953+1844 （M17E）的发现如此重要，它有望填补这个缺失的环节，为我们揭示出蜘蛛类脉冲星演化过程中的未知过程。

参考资料：

[1] 中国 天眼FAST发现轨道周期最短脉冲星系统 填补蜘蛛类脉冲星演化模型的缺失一环

(http://nao.cas.cn/news/gd/202306/t20230621_6785648.html)

[2]Pan, Z. et al. A Binary Pulsar in a 53-minute Orbit.

(https://doi.org/10.1038/s41586-023-06308-w)

[3]Hai-Liang Chen et al. Formation of black widows and redbacks – two distinct populations of eclipsing binary millisecond pulsars

(https://doi.org/10.1088/0004-637X/775/1/27)

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