人民網(wǎng)北京5月23日電 （記者趙竹青）北京時(shí)間2025年5月23日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)家一項(xiàng)最新研究成果。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)韓金林研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼FAST發(fā)現(xiàn)了一個(gè)罕見的毫秒脈沖星，與伴星以3.6小時(shí)的周期相互繞轉(zhuǎn)，且有六分之一的時(shí)間被伴星遮擋（即掩食，猶如日食或月食）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)恒星演化理論、致密星吸積物理和雙星并合引力波源研究具有重要意義。
天文學(xué)家對(duì)于單個(gè)恒星如何演化已有相對(duì)清晰的認(rèn)識(shí)。但在浩瀚的銀河系中，大多數(shù)恒星都是成對(duì)出現(xiàn)，以雙星系統(tǒng)的形式共同演化，過去幾十年里，雙星系統(tǒng)如何交互和演化一直是天文學(xué)領(lǐng)域的前沿難題。
恒星演化理論認(rèn)為，質(zhì)量越大的恒星演化速度越快。在雙星系統(tǒng)中，較大質(zhì)量的恒星一般會(huì)率先演化，最后塌縮成密度極高的致密星，比如中子星或黑洞。在這個(gè)階段，較小質(zhì)量的伴星應(yīng)該會(huì)繼續(xù)演化。但這顆伴星在演化時(shí)，物質(zhì)會(huì)被致密星吸積，伴星會(huì)因?yàn)橘|(zhì)量流失而體積膨脹，甚至膨脹到把致密星攬入懷中，一起在公共的氫元素包層中演化約1千年。
在這個(gè)過程中，具有強(qiáng)引力的致密星一方面貪婪吸積伴星的物質(zhì)，使其自轉(zhuǎn)加快。另外一方面，致密星與伴星相互繞轉(zhuǎn)的過程中，把公共的氫包層全部吹散，留下伴星中心燃燒的內(nèi)核。這時(shí)的伴星主要靠燃燒的氦元素發(fā)光，溫度有幾萬度。
千年之后，經(jīng)歷這一過程的雙星最終留下快速自轉(zhuǎn)的致密星與高溫氦星，在非常緊密的軌道上相互繞轉(zhuǎn)。然而，這類特殊的雙星系統(tǒng)在宇宙中存活時(shí)間僅約一千萬年，對(duì)于138億年的宇宙而言，如同夜空中稍縱即逝的流星。
根據(jù)該團(tuán)隊(duì)所做的模擬分析，銀河系千億顆恒星中，這樣的系統(tǒng)在銀河系中僅有幾十個(gè)。因此，它們極為罕見，且難以觀測(cè)。所以，天文學(xué)家推斷的雙星系統(tǒng)共公包層演化的理論也長(zhǎng)期缺乏直接觀測(cè)證據(jù)的支持。
中國(guó)天眼FAST的靈敏度極高，是發(fā)現(xiàn)脈沖星的利器，對(duì)觀察處于極短周期軌道上的脈沖星更為敏銳。2020年5月，韓金林研究員團(tuán)隊(duì)利用FAST對(duì)銀河系進(jìn)行脈沖星深度搜索時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一顆自轉(zhuǎn)周期為10.55毫秒的毫秒脈沖星PSR J1928 + 1815。2020年11月，利用FAST進(jìn)行了幾次后隨觀測(cè)后，證實(shí)它處于一個(gè)半徑僅50萬公里的致密軌道，相互繞轉(zhuǎn)的軌道周期僅為3.6小時(shí)。它與伴星相互繞轉(zhuǎn)時(shí)，有大約六分之一的時(shí)間被伴星遮擋。據(jù)推測(cè)，這個(gè)伴星的質(zhì)量至少有1個(gè)太陽那么重，遠(yuǎn)超出一般掩食脈沖星的伴星，但狹小的軌道根本容不下一個(gè)像太陽這樣的恒星。根據(jù)多方面的限制推斷，這個(gè)伴星不是普通恒星，也不是演化后的致密伴星，而應(yīng)該是經(jīng)歷過公共包層演化的氦星。脈沖星信號(hào)掩食是氦星甩出的星風(fēng)物質(zhì)遮擋引起的。
這一罕見天體的發(fā)現(xiàn)可以為天文學(xué)研究帶來多方面的突破。首先，對(duì)于探索多年的恒星演化理論而言，這個(gè)雙星系統(tǒng)就是雙星公共包層演化階段之后、處于致密軌道的特殊雙星。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有助于完善和深化我們對(duì)雙星演化具體過程的理解，比如兩顆星如何靠近導(dǎo)致軌道收縮、兩顆星之間如何進(jìn)行物質(zhì)交流、中子星的自轉(zhuǎn)如何加速到幾個(gè)毫秒，公共氫元素包層如何被致密星吹散等等。其次，這個(gè)中子星在公共包層里應(yīng)該在很短時(shí)間里吸積了大量物質(zhì)，使脈沖星自轉(zhuǎn)加快。如何吸積？如何散熱？新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)致密雙星可能是中微子散熱機(jī)制理論的一個(gè)重要例證。另一方面，新發(fā)現(xiàn)的稀有雙星可以演化成為引力波源，為致密雙星并合和引力波的產(chǎn)生機(jī)制提供了新的限制。
該論文審稿人之一，美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的脈沖星雙星研究專家Scott Ransom表示，“這是個(gè)獨(dú)特的致密雙星系統(tǒng)，具有極高的科學(xué)價(jià)值，有望在多個(gè)不同領(lǐng)域——如恒星群體演化、引力波源預(yù)測(cè)、雙星和恒星演化過程、深度光學(xué)/紅外的氦星觀測(cè)等方面引導(dǎo)出很多有趣的研究課題，使得我們對(duì)雙星演化中公共包層階段這一目前仍知之甚少的領(lǐng)域有更深入的認(rèn)識(shí)”。