氦星裸衣戰(zhàn)脈沖——中國天眼捕捉到極罕見雙星

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在距離地球8000光年的銀河系深處，一場驚心動魄的決斗正在上演。其中一顆星放出強大的脈沖，仿佛手持激光劍，而另一個，則已經甩掉了外衣……

北京時間2025年5月23日，國際學術期刊《科學》在線發(fā)表中國科學家一項最新研究成果。中國科學院國家天文臺韓金林研究員帶領團隊利用中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)了一個罕見的毫秒脈沖星，與伴星以3.6小時的周期相互繞轉，但有長達 1/6 的時間被伴星遮擋……

【毫秒脈沖星】

位于貴州的“中國天眼”FAST，世界上最大的單孔徑射電望遠鏡，500米的直徑賦予它無比銳利的眼神。

2021年，在位于天箭座這片毫不起眼的狹小天區(qū)內，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了一顆自旋周期僅10.55 毫秒的脈沖星——1秒鐘里能轉上近100圈！這種神秘的天體是大質量恒星死亡后留下的殘骸，一顆直徑只有大約 20 公里，質量卻和太陽相當?shù)闹凶有恰Ｋ鼈円贿吀咚傩D，一邊通過兩端磁極釋放出無線電波。這種無線電波的波束很集中，周期很穩(wěn)定，就像心跳一般，被稱為“脈沖”。像這種脈沖 間隔短于 30 毫秒的就是 毫秒脈沖星。

脈沖星 PSR J1928+1815 在天空中的位置（來源：水兄/Stellarium模擬）

【它不是一個人】

天文學家依照慣例，用脈沖星所在位置為其編號PSR J1928+1815。很快，通過后續(xù)的觀測，天文學家發(fā)現(xiàn)這個脈沖星并不一般。每過3.6 小時，脈沖信號就會突然下降，而且一掉就“長達”約 37 分鐘。

PSR J1928+1815 脈沖的周期性消失（來源：Z. L. YANG et al. 2025）

周期性地出現(xiàn)這種現(xiàn)象，很容易就讓人想到 這不是一顆孤立的毫秒脈沖星，而是一對雙星。 有人說它們像一對舞者，跳著快速波爾卡。可是真實情況或許沒有并沒有那么浪漫。我們繼續(xù)往下看。

不管怎樣，正是因為伴星的遮擋，才會出現(xiàn)信號的“短暫”消失。但問題是，這個“暫時”似乎長了一些——伴星遮擋時間居然占據(jù)軌道周期的17%！ 什么恒星能“胖”成這樣？？

脈沖星示意動畫（來源：網絡）

【這也不是那也不像】

又是毫秒脈沖星，又是相互繞轉遮掩，這不就是一類特殊天體食雙星毫秒脈沖星（eclipsing binary millisecond pulsars）嗎？這類天體俗稱蜘蛛類脈沖星（spider pulsar）。說到這，讓我想起 2 年前寫過的一篇科普文章《》，其中提到的脈沖星 PSR J1953+1844也是 FAST 發(fā)現(xiàn)的，其伴星質量在 0.047~0.097M⊙ 之間（懷疑處在從“紅背蜘蛛”狀態(tài)向“黑寡婦”狀態(tài)演化的階段 ）。

“黑寡婦”脈沖星系統(tǒng)演示動畫（來源：NASA Goddard Flight Center）

這一次，為了搞清楚情況，天文學家對脈沖星 PSR J1928+1815 持續(xù)了 4.5 年的觀測，并進行了模型擬合。首先，排除這顆伴星是白矮星或中子星的可能。如果嚴格按照定義來說，白矮星和中子星都不能算恒星，它們都是恒星“身后之物”，也就是殘骸。它們都屬于 致密星， 白矮星的質量不超過太陽 1.44 倍，體積和地球差不多；中子星在前文中已講過，直徑小如一座城市。因此，它倆都不可能對 PSR J1928+1815 形成長時間的遮擋。

地球、白矮星和中子星（來源：網絡）

那么會不會是又一個“蜘蛛類脈沖星”呢？根據(jù)理論模型以及觀測數(shù)據(jù)， PSR J1928+1815 的質量可能在1.1~2.2 M⊙之間（ M⊙是太陽質量的意思 ）。這樣的話，根據(jù)距離、周期判斷，伴星的質量將達到 1 M⊙ 以上，這就大大超過了“蜘蛛類脈沖星”伴星的質量上限。因此這種情況也被排除。

但是，伴星也不太可能是像太陽這樣的恒星。軌道周期只有 3.6 小時，這意味著軌道半徑只有 50 萬公里。而我們的太陽半徑有 70 萬公里呢。換言之，這樣一條致密軌道里是塞不進一顆普通恒星的。因此天文學家有理由懷疑伴星并不是普通恒星。（聽上去好像是廢話。然而科學就是一步一步在推理中得到一個最可能的結論。）

【衣服也不要了】

既不能是顆正常的成熟恒星，也不能是死亡后的致密星，那么是否可能正處在主序后至死亡前的特殊恒星？即“主序后恒星”（post-main-sequence star或 evolved star ）。

插播一下“主序”的概念。主序星是一顆正處于穩(wěn)定燃燒的壯年期恒星（因位于赫羅圖主序而得名），例如我們的太陽就是一顆主序星。等太陽到了晚年，參與核聚變的氫消耗殆盡，內核收縮，外殼膨脹，看上去就“發(fā)福”了。太陽的未來可能膨脹到地球軌道附近，成為一顆紅巨星。

赫羅圖（來源：網絡）

PSR J1928+1815 的伴星連太陽大小的恒星都不可能，那就更不可能是紅巨星了，而應該是已經脫掉外衣——氫外殼——只剩下氦核（氫核聚變留下的產物） 的星。

它可能已經走過的紅巨星的階段，那時候它曾把脈沖星整個包裹起來，成為罕見的共包層雙星（common envelope binary）。而脈沖星的前身是質量更大的 恒星 ，更早地走完了演化歷程。在共包層雙星階段，脈沖星不斷吸積伴星的氫殼層。根據(jù)理論，獲得能量補充的脈沖星，旋轉速度 也得到進一步提升，從而形成了毫秒脈沖星，雙星軌道也隨之收縮。

最后的結果只有兩種：要么兩顆星劇烈地撞在一起，形成新的中子星，或者同歸于盡變成黑洞；要么共有包層被拋射 ，伴星徹底變成“光膀子”的氦星。

共包層密近雙星的演化（來源： Charles University ）

【極為罕見】

這種場景不能算很少見，而是極為罕見！

天文學家通過模擬發(fā)現(xiàn)，要讓脈沖星自轉速度加快到 10.55 毫秒，那么它至少從伴星身上吸積了至少 0.01 個太陽質量的物質。兩顆星共有包層的時間不超過 1000 年。即便處在現(xiàn)在這種毫秒脈沖星+氦星的狀態(tài)，時間上也不過是1000 萬年，這對數(shù)億十年壽命的恒星而言，只是一個很短的片段。

更重要的是，天文學家計算表明，一個毫秒脈沖星加上一個質量為 1.1~2.2 M⊙ 的氦星，并且處于軌道周期 0.1~0.2 天的，這樣的組合出現(xiàn)的概率僅為每百萬年 1.3~7.2 個，也就是說，整個銀河系中估計只有 16~84 個這樣的密近雙星系統(tǒng)！銀河系恒星數(shù)在 3000億~4000億，比牛毛還多，發(fā)現(xiàn)一例是不是堪比彩票中了頭獎？

洛希瓣溢流Roche-lobe overflow

PSR J1928+1815 掩食脈沖星雙星系統(tǒng)演化示意圖。它們最有可能經歷了以下過程：Ⅰ. 中子星+主序星階段； Ⅱ. 中子星+氫洛希瓣溢流（ Roche-lobe overflow ）階段； Ⅲ . 中子星+共包層（common envelope）階段。當前位于 Ⅳc. 中子星+氦星階段。未來可能經歷 Ⅴ. 第二次中子星+氦洛希瓣溢流階段； Ⅵ. 中子星+白矮星階段 （來源： Z. L. YANG et al. 2025 ）

天文學家繼續(xù)推測，未來，隨著氦的繼續(xù)燃燒，這對雙星又將進入持續(xù)約 10 萬年的物質交換，脈沖星的自轉速度可能再次提升。到最后，它們將 構成分離式的密近雙星，分別為1.41 倍太陽質量的毫秒脈沖星 + 0.82倍太陽質量的碳氧白矮星，軌道周期為 6.2 小時。

“中國天眼”的這項發(fā)現(xiàn)因其獨特性而具有極高的科學價值。它將有助于我們深入理解雙星演化的具體過程，尤其是兩顆星如何接近繼而導致軌道收縮、如何產生引力波、密近雙星之間如何進行物質交流、毫秒脈沖星如何形成、共有包層何時以及如何被吹散、氦星形成過程等一系列的問題。

科學研究需要孜孜不倦，也要連連好運。

本次發(fā)現(xiàn)宣傳海報（來源：中國科學院國家天文臺）

參考資料：

[1] 中國科學家發(fā)現(xiàn)罕見掩食脈沖星(https://www.nao.cas.cn/news/gd/202505/t20250523_7790316.html)

[2] Z. L. Yang, J. L. Han, D. J. Zhou et al. A pulsar-helium star compact binary system formed by common envelope evolution.

(DOI: 10.1126/science.ado0769)

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