FAST在球状星团中发现一个脉冲双星系统

　　经过将近两年的观测研究，中国科学院国家天文台研究人员使用“天眼”望远镜FAST，在武仙座球状星团中发现了一个脉冲双星系统，并通过脉冲星计时观测证认了这个双星系统由一颗脉冲星与一颗白矮星组成。

　　这是FAST发现的第一个脉冲双星系统，也是FAST首次发布脉冲星计时观测研究结果。研究人员同时研究了这个球状星团中的其他5颗脉冲星。首次测量出其中3个脉冲双星的轨道椭率，并发现这个球状星团有点特殊。

　　我们的天眼究竟看到啥好玩的东西了？让我们一点点来说说。

　　球状星团

　　所谓“星团”，就是恒星聚集成的小集体。星团可以分为两类：一类是少量的恒星组成比较松散的集体，叫“疏散星团”；

著名的昴星团是一个典型的疏散星团（图片来源：https://apod.nasa.gov/apod/ap161019.html）

　　一类是大量恒星聚集在一个球状区域中组成的“球状星团”。

本文主角之一，著名的武仙座球状星团（图片来源：https://apod.nasa.gov/apod/ap120614.html）

　　不要看着图片觉得这些星团很大，实际肉眼观看的话，这些星团在夜空中都显得很小。有多小呢？伸长你的手臂，竖起食指，这些星团在夜空中大多比你这一个指甲盖还小。

　　球状星团有两个重要的特点，一个是恒星的密度很大。这点我们从上面的图片中也能直观地看出来。另一个是球状星团年龄比较大。这两个特点，导致了在球状星团中容易产生脉冲星，并且容易产生一些比较好玩的脉冲星。

　　球状星团脉冲星

　　球状星团里面的脉冲星，我们简单地称之为“球状星团脉冲星”。天文学家起名字就是这么的朴实无华。球状星团里那么多的恒星，发现几颗脉冲星不算啥大事。比如在球状星团Terzan 5中，科学家就已经发现了38颗脉冲星。

　　按照脉冲星的命名规则，脉冲星是根据其在天空中的位置命名的。球状星团Terzan 5的坐标大概是赤经17时48分，赤纬-24度46分，那它里面的脉冲星就应该叫PSR J1748-2446。但是这球状星团的脉冲星太多了，总得区分一下。于是天文学家就约定，这球状星团里面发现的第一颗脉冲星叫PSR J1748-2446A，第二颗叫PSR J1748-2446B，第三颗叫PSR J1748-2446C……等26个字母用完了，就叫PSR J1748-2446aa，PSR J1748-2446ab，PSR J1748-2446ac……

　　FAST此次发现的是武仙座球状星团（根据著名的梅西耶天体表，通常称其为M13）中第六颗脉冲星，所以它的名字就叫PSR J1641+3627F，或者M13F。M13F这颗脉冲星有两个比较特殊的地方：它是一颗毫秒脉冲星；它与一颗白矮星相互绕转，构成一个双星系统。而这两个特点，正是很大程度得益于球状星团独特的环境。

　　球状星团中的“华尔兹”

　　目前已知的156157颗球状星团脉冲星中，有超过9590%是毫秒脉冲，有近60%处于双星系统中。这个比例远远高于银盘中的脉冲星。球状星团能够孕育出如此之多的特殊脉冲星绝非偶然。球状星团中恒星密度比银盘上高几个数量级。如此致密的恒星环境更有利于恒星产生相互作用，甚至发生碰撞。毫秒脉冲星及双星系统的演化，犹如一曲优美的“华尔兹”，而球状星团脉冲星则为这曲华尔兹增添了更多华丽的舞步。

　　 当舞曲奏响那一刻，双星系统中长得胖的（主星）会先经历超新星爆发，抛出自身一部分物质。如果此时它的“舞伴”（伴星）比较瘦弱，就会被快速地踢出，同时双星系统瓦解。而胖星星留下部分会塌缩形成快速旋转的中子星。如果这颗中子星磁极发出的辐射刚好能扫过地球，那就是脉冲星。中子星磁极发出的辐射随自转不停地扫过地球，即为我们观测到的脉冲星。

　　

（图片来源：http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/）

　　 如果伴星的“体重”足以抵御超新星爆发产生的冲击，就会留在之前的双星系统中与脉冲星继续这段华尔兹。这个正常的脉冲星会通过吸积伴星物质使自己自转加速从而变得越来越不正常，最终加速成一颗毫秒脉冲星。如果伴星质量较小，有可能最终演化成为一颗白矮星。这时我们的双星系统就变成像M13F这样的脉冲星—白矮星双星系统。如果伴星质量较大，也有可能发生超新星爆炸而留下一颗中子星。这次超新星爆炸可能导致两种结果：一种是两颗中子星各奔东西；另一种是两颗中子星继续这段华尔兹，成为一个双中子星系统。

　　

毫秒脉冲星及脉冲星相关双星系统演化示意图（原图来源：http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/lorimer-review.pdf）

　　在恒星密集的球状星团中，“单身的”脉冲星更容易找到舞伴。有了舞伴，脉冲星才能通过吸收伴星物质而加速。而对于正在跳双人华尔兹的双星们，球状星团为它们创造了更多交换“舞伴”的机会。 这一过程会使原有双星系统瓦解，或迎来一场脉冲星独舞表演，亦或形成新的双星华尔兹甚至多星圆圈舞。

　　椭圆舞曲

　　双星跳舞转圈圈的时候，转的是一个椭圆。天文学家们分析，如果双星在绕转过程中受到的其他恒星的干扰，会导致双星绕转的这个椭圆变得更“椭”一些。进一步分析我们可以知道，在银河系一般区域中，恒星密度比较低，这里的双星受到其他恒星干扰的概率比较小，绕转的椭圆就会比较圆；在球状星团中，恒星密度大，这里的双星受到其他恒星干扰的概率就大，绕转的椭圆会因为多次的干扰而变得更椭。不同的球状星团，其恒星密度不尽相同，如果我们前面的分析成立，那么是不是恒星密度大的球状星团，它里面双星绕转的轨道就会更椭；而恒星密度小的球状星团，它里面双星轨道就接近银河系其他地方的双星轨道会不会，比高密度球状星团脉冲星显得更圆呢？

　　FAST的这个研究，首次测量出M13中4个脉冲双星系统（包括我们刚发现的这个）的轨道椭率，发现确实是跟接近于银河系其他地方的双星轨道椭率。也就是说，证明了天文学家此前的猜想是对的。

　　未来可期

　　FAST此次发现，以实实在在的结果证明了FAST不仅有能力寻找到未知的脉冲双星，还能做出比其他望远镜更好的观测，测量出更多别人测量不到的参数。

　　未来我们还将继续利用FAST做更多的关于球状星团脉冲星的研究。我们最期待的结果之一，就是能在球状星团这一特殊环境中，发现更极端的双星系统，比如目前尚未发现的脉冲星—黑洞双星。如果能发现这样的双星系统，将为我们进一步研究广义相对论和超高密度条件下物态提供帮助。（王琳、喻业钊）

　　作者简介：王琳， 中国科学院国家天文台天体物理专业在读博士研究生，博士课题为球状星团脉冲星；喻业钊，中国科学院国家天文台天文技术与方法专业博士。黔南民族师范学院天文学副教授。主要研究方向为射电脉冲星。