FAST最新发现：球状星团M92中的“红背蜘蛛”系统

　　“红背蜘蛛”系统是一种特殊的脉冲双星系统。它有什么有趣的特征，能告诉我们什么呢？最近，中国科学院国家天文台的天文工作者使用FAST在球状星团M92中也发现了一个这样的系统。该研究工作被评为美国天文学会(AAS)2020年4月17日的研究亮点。本文将以此为例，介绍“红背蜘蛛”系统。

　　脉冲星是宇宙中最精确的时钟。因为这个原因，脉冲星是天文学的重要研究对象之一。脉冲星是向地球发出周期信号的中子星，直径大约二十千米，质量和太阳差不多，非常致密，是大质量恒星死亡的产物，在银河系中主要分布在银道面上和球状星团（分布在银河系各处，及呈球状或椭球状的星团）中；在近邻的大小麦哲伦星系中也有发现。年轻的脉冲星具有较快的自转速度，比如蟹状星云中的脉冲星每秒钟会旋转约30圈。脉冲星通过旋转将自身动能转化成其它形式的能量，比如电磁波，向宇宙空间释放，并因此越转越慢，并在数千万年后由于自转太慢而不能发射电磁波。如果脉冲星存在物质吸积，如存在于双星系统中，伴星的物质可能就会受到脉冲星吸引而落向脉冲星。物质吸积同时给脉冲星带来了外界的能量，使得脉冲星自转速度的减慢率下降，甚至可以加速脉冲星的自转。毫秒脉冲星是自转周期30毫秒(也有定义为20毫秒)以下的脉冲星，就是物质吸积产生的。这样的外界能量注入可以使得脉冲星，尤其是毫秒脉冲星，能在甚至诞生百亿年后依然发射出电磁波并被探测到。

图1: 中间是脉冲星，围绕脉冲星运动的是它的伴星，一个小质量恒星。，可以看到恒星物质受脉冲星影响正在脱离，随后被脉冲星吸积或者向宇宙空间布散。图片来源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/11215

　　球状星团分布在银河系的银晕上，有着高达到百亿年的演化历史；这使得在其中找到的脉冲星绝大多数也都是非常年老的毫秒脉冲星。银河系有一百多个球状星团，这些球状星团的恒星密度、年龄等特征不尽相同，各个球状星团中发现的脉冲星数量也有很大差别。迄今，已经在30个球状星团中发现了157颗脉冲星。其中名为Terzan 5和47 Tuc (NGC104)的两个球状星团位列第一第二，分别有38颗和25颗脉冲星；而更普遍的情况是，每个球状星团中只找到了不超过5颗脉冲星。导致这种情况的原因，有观测时长和灵敏度的不同，但更为重要的可能是球状星团内禀性质有区别。

　　在球状星团脉冲星中，有很多极端的例子。比如，人类发现的自转最快的脉冲星，自转周期1.39毫秒，是球状星团中发现的。球状星团脉冲星往往存在一个小质量的伴星；脉冲星和伴星构成双星系统，互相绕转。有的脉冲星双星系统的轨道周期特别短，例如脉冲星J0024-7204R，其轨道周期只有1.58小时。有些脉冲星双星系统的伴星质量非常小，不足太阳质量的百分之十。有的脉冲双星系统还存在掩食的现象。

　　脉冲双星系统有多种类型，所谓“红背蜘蛛”系统（redback system），是一种特殊的脉冲双星系统。它的轨道周期往往短于1天，轨道偏心率非常接近0，伴星是一个只有太阳三分之一甚至更小质量的恒星。最重要的特征是，伴星物质正在被脉冲星吸积。这个系统的名字也是由这种吸积现象而来的。红背蜘蛛属于球蛛，身体是个大球，头是个小球。

图2. 红背蜘蛛（图片来源于网络）

　　红背蜘蛛和用来命名另外一种脉冲星双星系统的黑寡妇蜘蛛(black widow)蜘蛛一样，都倾向于把自己的伴侣吃掉，就像这两种脉冲双星系统中，脉冲星正在把伴星物质吞噬掉一样。图1是表示这样演化的动画,图2是红背蜘蛛的图片。长达百亿年的演化使得球状星团脉冲星有着非常高的毫秒脉冲星比例，也意味着其中的双星比例也远高于我们在银河系银盘上发现的脉冲星。这些球状星团的脉冲双星系统中就有超过10个“红背蜘蛛”系统。球状星团中“红背蜘蛛”系统中的伴星往往已经演化成为了亚巨星，且处于轨道周期较短的双星系统中，因此在真实的观测数据中可以看到由于伴星物质被脉冲星吸积而产生的各种现象，包括脉冲到达时间延迟，脉冲星信号长达轨道周期40%甚至更长的掩食，甚至在一个轨道周期中出现不止一次的掩食。这样的物质吸积，会使得脉冲星的自转被很快加速，如上文提到的自转最快的脉冲星，也是“红背蜘蛛”系统。

　　我国自主设计建造的500米口径球面射电望远镜（FAST）是目前世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜。自2016年落成以来，FAST一直在进行调试，并在2020年1月完成了国家验收，开始开放运行。

　　在调试过程中，FAST团队对一些球状星团进行了脉冲星观测，尝试搜寻其中的脉冲星。我们在2017年10月9日的数据中发现了一颗毫秒脉冲双星，称为M92A（或PSR J1717+4308A）；图3展示了我们发现这个脉冲星时看到的脉冲星信号的样子。在接下来几年中，后随的计时观测（timing）也完成了。这是FAST最早发现的球状星团中的脉冲星之一，也是球状星团M92中的首个脉冲星发现。在后续的观测中，我们有着更多的发现，并且直到现在一直在对其密切监测。

图3，M92A发现时的图片。

　　其中左上角的波形表示的是脉冲星的信号形状，左下的灰度图显示了在观测的1800秒内都能观测到M92A的信号。中间的灰度图和下方的波形表现了信号的色散特征，是判断信号是否可能是脉冲星的重要依据。右侧表示了信号周期的变化情况。

　　观测表明，M92A自转周期为3.16毫秒，色散量（等价于以单位面积为底，源到地球距离为高的一个长方体中的电子数量）为 35.45 pc cm-3处于一个典型的“红背蜘蛛”系统中。M92A双星系统的轨道非常接近圆形，轨道周期约0.2天，轨道半径大约12万千米，伴星质量大约是0.18倍太阳质量，处于主序星向巨星演化阶段。观测数据中看到了长达轨道周期40%的掩食，并且偶尔在掩食开始前或者结束后的约1000秒时间内还会发生第二次掩食。较短的轨道周期和轨道半径及掩食特征表明，伴星物质正在被脉冲星吸积。图4作为示意图展示了这样一种“红背蜘蛛”系统。

图4，蓝色的是脉冲星，红色的是一个小质量恒星。可以看到恒星的物质被脉冲星吸积。而在双星轨道运动过程中，存在恒星遮挡脉冲星的情况，即有掩食发生。图片来源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/10625

　　这一研究使得我们可以通过脉冲星来研究球状星团M92的演化，也为“红背蜘蛛”系统增加了新的样本。目前，这个脉冲星双星系统仍然有一些问题有待探索，例如，物质吸积速率是多少？这样的吸积是什么时候开始的？还能持续多久？这些问题的解答将为我们带来关于M92A演化的更多细节和故事。

　　不久的将来，随着基于FAST的观测和巡天的深入展开，我们很可能发现更多如“红背蜘蛛”系统这样的特殊的脉冲星和脉冲双星。

　　论文链接：

　　https://aasnova.org/2020/04/17/pulsar-discovery-from-an-enormous-telescope/

　　参考文献

　　[1] Pan et al. 2020, arXiv:2002.10337

　　作者简介

　　钱磊，中国科学院国家天文台副研究员。主要研究方向为射电天文，撰写过多篇科普文章；潘之辰，中国科学院国家天文台助理研究员。主要研究方向为脉冲星搜索和恒星形成。