中国"天眼"发现轨道周期53分钟的脉冲星双星系统，这意味着什么？| 蔡一夫、马潇汉
脉冲星是什么？
脉冲星双星系统呢？
蜘蛛类脉冲星又是什么？
黑寡妇和红背又是怎么回事？
脉冲星：宇宙中的信标和灯塔
脉冲星，得名于它会发出具有稳定周期的脉冲信号。这种脉冲信号是如此的稳定，以至于1967年24岁的女研究生乔丝琳·贝尔·伯奈尔发现脉冲星时，她的导师安东尼·休伊什和合作者的第一反应是：这是外星人发来的信号。他们甚至给外星人起了个名字，叫做“小绿人”！
后来，随着对这些脉冲信号的深入了解，天体物理学家们认为它们来自一些拥有强大磁场、快速旋转的中子星。根据现有的天体物理理论，大质量的恒星在经历了超新星爆炸以后所遗留下来的残骸由于角动量守恒，往往会具有极高的自转速度。当这些高速旋转的中子星产生的辐射光束穿过茫茫星海扫过地球时，我们就接收到了脉冲式的信号。
脉冲星的脉冲信号非常稳定，堪比实验室中最精确的计时装置“原子钟”，所以我们可以把脉冲星作为宇宙中的信标和灯塔。因此，我们迫切希望发现与研究尽可能多的脉冲星。而这正是FAST最擅长的事。它作为目前世界上具有最大的“填充口径”的球面射电望远镜，具有一骑绝尘的脉冲星搜索能力。FAST自启用以来已经发现了超过740颗脉冲星，大大促进了我们对脉冲星的认知。
脉冲星双星系统、蜘蛛类脉冲星
脉冲星可以是单独的一颗，也可以跟另一颗恒星互相绕转，构成双星系统。在一类双星系统中，两颗星离得很近，质量较大的星体在引力的作用下会不断地把另一颗星体的物质抢夺过来。这类似于生物界雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为，因此天文学家把这样的脉冲星系称为蜘蛛类脉冲星。
蜘蛛类脉冲星又分为两类：“红背”和“黑寡妇”，它们分别是两种蜘蛛的名字。在“红背”状态的脉冲星系统中，伴星的质量大约为0.1～0.4倍太阳质量，绕转周期大约为一天。而“黑寡妇”状态的脉冲星系统伴星质量则小得多，远小于0.1倍太阳质量，绕转周期也更短。
现有的天体物理理论猜想，“黑寡妇”脉冲星系统是由“红背”系统演化而来。但以前这只是个猜想，因为没有观测到“红背”向“黑寡妇”转变的中间态。为什么呢？因为中间态的系统绕转周期太短了，双星间距太近了，观测非常困难。
搞清楚了脉冲星，脉冲星双星系统、红背和黑寡妇，现在就可以明白开头这则新闻的重要意义了。
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。
通过中国“天眼”对名为PSR J1953+1844（M71E）的脉冲星双星系统长期的观测，科学家们认为这个系统处于“红背”到“黑寡妇”系统演化的中间状态。这一发现填补了相关领域的观测空白，强烈地证实了蜘蛛类脉冲星的演化理论。
从更大的视角来看，中国“天眼”独有的强大观测能力极大地丰富了我们对脉冲星家族的认识，在茫茫宇宙中织成了一张脉冲星的信标之网。这些脉冲星有可能组成一个计时阵列，帮助科学家们检测宇宙尺度上时间的微小变化。
例如，这种能力可以被用来探测低频率的引力波，这些引力波可能具有宇宙学的起源，携带着早期宇宙的信息，对引力理论提出启发。中国科学技术大学天文学系蔡一夫教授的团队就提出，早期宇宙中声速共振机制所产生的引力波可以被脉冲星计时阵列观测和检验。
所以，这个故事既是天文学的重要发现，也是中国科技进步的生动体现。随着中国在基础科学领域的持续投入，来自中国的观测设备和科研人员将越来越多地为探索人类认知的边界做出重要贡献，未来将有数不胜数的科技成果等着我们去发现。
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