近日，中國(guó)科學(xué)家宣布利用我國(guó)五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST；俗稱：“天眼”望遠(yuǎn)鏡），在武仙座球狀星團(tuán)（M13）中發(fā)現(xiàn)一顆脈沖雙星。相關(guān)論文即將發(fā)表在國(guó)際著名天文學(xué)刊物《天體物理學(xué)報(bào)》上。
截圖自https://arxiv.org/abs/2002.05938
這是FAST發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖雙星。
這一顆脈沖星還有三個(gè)關(guān)鍵詞：脈沖雙星，毫秒脈沖星，球狀星團(tuán)脈沖星。
Part.1
它是一顆“脈沖雙星”
天文學(xué)上把兩顆挨得很近的恒星稱為“雙星”。
這里說的“挨得很近”有兩層意思，第一種情況是只是看起來挨得很近，而實(shí)際上兩者的空間距離很遠(yuǎn)，沒有物理聯(lián)系，稱之為“光學(xué)雙星”；另一種是空間位置上就是挨得很近，兩者之間有物理聯(lián)系，會(huì)相互繞轉(zhuǎn)，稱之為“物理雙星”。
在脈沖星領(lǐng)域中，如果提到雙星，都是指物理雙星。脈沖星相關(guān)雙星系統(tǒng)又分為兩種：
如果雙星中只有一顆是脈沖星，那就叫“脈沖雙星”；
如果雙星系統(tǒng)兩顆星都是脈沖星，那就叫“雙脈沖星”。
動(dòng)圖：脈沖雙星
www.atnf.csiro.au/news/press/neutron_binary/index.html
視頻：雙脈沖星
http://www.jb.man.ac.uk/news/2004/doublepulsar/
FAST這次發(fā)現(xiàn)的是一顆處于雙星系統(tǒng)中的脈沖星。經(jīng)過對(duì)這顆脈沖星多次觀測(cè)，天文學(xué)家估算出，和這顆脈沖星在一起的另一顆恒星應(yīng)該是一顆質(zhì)量大約為太陽(yáng)0.16倍的白矮星。
Part.2
它還是一顆毫秒脈沖星
FAST這次發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星，還是一顆毫秒脈沖星。
早在2018年FAST在伽馬射線源中發(fā)現(xiàn)一顆毫秒脈沖星的時(shí)候，我們就比較詳細(xì)地介紹過脈沖星的分類以及何為毫秒脈沖星。簡(jiǎn)單地說，毫秒脈沖星是一類自轉(zhuǎn)速度較快且自轉(zhuǎn)速度較穩(wěn)定的脈沖星。
目前公認(rèn)的毫秒脈沖星誕生及演化理論認(rèn)為，毫秒脈沖星形成于一個(gè)類似于跳“華爾茲”的過程：即處于雙星系統(tǒng)中的兩顆星星，長(zhǎng)得胖的（即：主星）會(huì)先經(jīng)歷超新星爆發(fā)，拋出自身一部分物質(zhì)，此時(shí)如果它的“舞伴”（即：伴星）比較瘦弱就會(huì)被快速地踢出，同時(shí)雙星系統(tǒng)瓦解，而主星爆炸后留下部分會(huì)塌縮形成快速旋轉(zhuǎn)的中子星；如果伴星的“體重”足以抵御超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊，就會(huì)留在之前的雙星系統(tǒng)中，與新形成的中子星繼續(xù)這段“華爾茲”直到生命的盡頭。
中子星南北磁極的輻射束如果能隨著自轉(zhuǎn)不斷地掃過地球，那就是我們所說的脈沖星。
動(dòng)圖：脈沖星星 在線閃燈
http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/
而處于雙星系統(tǒng)中的脈沖星，可以通過吸收伴星的物質(zhì)而加速自轉(zhuǎn)，變成一顆毫秒脈沖星。
中子星-白矮星和雙中子星雙星系統(tǒng)演化模型http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf
需要注意的是，如果雙中子星系統(tǒng)中只有一顆表現(xiàn)為脈沖星，那該系統(tǒng)也是脈沖雙星，而非雙脈沖星。
Part.3
沒結(jié)束，它還是一顆球狀星團(tuán)脈沖星
FAST這次的發(fā)現(xiàn)，是天文學(xué)家有意地在球狀星團(tuán)中進(jìn)行脈沖星搜尋而找到的。處于球狀星團(tuán)中的脈沖星就是球狀星團(tuán)脈沖星。
為什么要在球狀星團(tuán)里面找脈沖星？這要先說說球狀星團(tuán)是什么。
顧名思義，球狀星團(tuán)就是球狀的星團(tuán)。它們通常長(zhǎng)成這個(gè)樣子：
武仙座球狀星團(tuán)（M13）
https://apod.nasa.gov/apod/ap170512.html
這是望遠(yuǎn)鏡看到的圖像。肉眼觀看的話，這些密密麻麻的恒星聚集在一個(gè)比滿月還小的天空范圍之內(nèi)。
眾多的恒星被強(qiáng)大的引力束縛在一起，“擠”在一個(gè)球形空間中，而且越靠近中心，密度越高，這就是球狀星團(tuán)。球狀星團(tuán)中恒星的密度是我們周圍銀河系恒星密度的100至1000倍。目前，銀河系中發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)超過150個(gè)，其中有30個(gè)左右是可以被FAST看到的。
球狀星團(tuán)密集的恒星環(huán)境為脈沖星尋找和交換“舞伴”創(chuàng)造了非常有利的條件，因此更有可能產(chǎn)生雙星甚至多星系統(tǒng)。
對(duì)此，天文學(xué)家有很多問題想要了解，比如：
? 這樣一段段的“華爾茲”到底會(huì)將脈沖星的自轉(zhuǎn)加速到多快呢？
? 他們會(huì)找來什么樣的“舞伴”呢？
? 會(huì)不會(huì)有脈沖星找來好幾個(gè)“舞伴”一起來跳圓圈舞呢？
目前的觀測(cè)結(jié)果也為天文學(xué)家的各種猜想提供了有力佐證。
下面就是天文學(xué)家在球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)的一些有意思的脈沖星系統(tǒng)：
1) 1991年P(guān)rince在球狀星團(tuán)M15中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙中子星系統(tǒng)。
2) 1999年Thorsett等人在球狀星團(tuán)M4中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)三星系統(tǒng)，分別為一顆脈沖星PSR B1620-26 ，一顆白矮星以及一顆質(zhì)量接近木星的伴星。
3) 2006年荷蘭人Hessels在球狀星團(tuán)Terzan 5中發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)最快的脈沖星PSR J1748-2446ad，每秒鐘轉(zhuǎn)716圈。
4) 2008年Freire等人在球狀星團(tuán)M5中發(fā)現(xiàn)疑似目前為止質(zhì)量最大的脈沖星PSR B1516+02b。
Part.4
發(fā)現(xiàn)這些“特別”脈沖星，有什么用呢？
天文學(xué)家預(yù)言，中子星最快的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大約為每秒鐘轉(zhuǎn)700圈。目前已知轉(zhuǎn)速最快的脈沖星，每秒鐘轉(zhuǎn)716圈，與理論預(yù)言相符。
但是，如果我們發(fā)現(xiàn)一顆轉(zhuǎn)的很快的脈沖星，比如每秒鐘轉(zhuǎn)超過1000圈甚至2000圈，那就對(duì)我們現(xiàn)在對(duì)中子星的理解提出了挑戰(zhàn)，是我們理解的不對(duì)，還是說此時(shí)的脈沖星已經(jīng)不再是中子星，而是夸克星、夸克集團(tuán)星或者其他什么奇怪的東西？
這些問題的答案，在真正發(fā)現(xiàn)這樣的脈沖星之前無從知曉。
但是唯一肯定的是，如果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超預(yù)期的脈沖星，那么我們對(duì)中子星物理狀態(tài)的理解將改寫。這將會(huì)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。
而如果我們足夠幸運(yùn)，看到一顆脈沖星在“交換舞伴”的活動(dòng)中被一個(gè)恒星級(jí)黑洞捕獲，那將成為檢驗(yàn)引力理論天然的理想實(shí)驗(yàn)室。這或許會(huì)為愛因斯坦廣義相對(duì)論“屹立不倒”提供又一份有力的支持。
研究球狀星團(tuán)脈沖星會(huì)幫助解答我們關(guān)于球狀星團(tuán)自身的疑問。
處于球狀星團(tuán)強(qiáng)大引力中的脈沖星可以成為直接研究球狀星團(tuán)引力分布的有利工具，有希望證實(shí)球狀星團(tuán)中心中等質(zhì)量黑洞的存在；還可以通過測(cè)量球狀星團(tuán)脈沖星的自行來推測(cè)星團(tuán)自身的自行，從而得到球狀星團(tuán)在銀河系引力中的運(yùn)動(dòng)軌道。另外，球狀星團(tuán)脈沖星還可解釋星團(tuán)中電離氣體、磁場(chǎng)分布以及星團(tuán)內(nèi)部恒星相互作用方式等。
Part.5
結(jié)語
2020年1月11日，F(xiàn)AST通過國(guó)家驗(yàn)收正式上崗。相信未來FAST會(huì)幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)更多有意思的脈沖星，讓人類進(jìn)一步掀開宇宙神秘的面紗。
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