氦星裸衣战脉冲——中国天眼捕捉到极罕见双星

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在距离地球8000光年的银河系深处，一场惊心动魄的决斗正在上演。其中一颗星放出强大的脉冲，仿佛手持激光剑，而另一个，则已经甩掉了外衣……

北京时间2025年5月23日，国际学术期刊《科学》在线发表中国科学家一项最新研究成果。中国科学院国家天文台韩金林研究员带领团队利用中国天眼FAST发现了一个罕见的毫秒脉冲星，与伴星以3.6小时的周期相互绕转，但有长达 1/6 的时间被伴星遮挡……

【毫秒脉冲星】

位于贵州的“中国天眼”FAST，世界上最大的单孔径射电望远镜，500米的直径赋予它无比锐利的眼神。

2021年，在位于天箭座这片毫不起眼的狭小天区内，FAST发现了一颗自旋周期仅10.55 毫秒的脉冲星——1秒钟里能转上近100圈！这种神秘的天体是大质量恒星死亡后留下的残骸，一颗直径只有大约 20 公里，质量却和太阳相当的中子星。它们一边高速旋转，一边通过两端磁极释放出无线电波。这种无线电波的波束很集中，周期很稳定，就像心跳一般，被称为“脉冲”。像这种脉冲 间隔短于 30 毫秒的就是 毫秒脉冲星。

脉冲星 PSR J1928+1815 在天空中的位置（来源：水兄/Stellarium模拟）

【它不是一个人】

天文学家依照惯例，用脉冲星所在位置为其编号PSR J1928+1815。很快，通过后续的观测，天文学家发现这个脉冲星并不一般。每过3.6 小时，脉冲信号就会突然下降，而且一掉就“长达”约 37 分钟。

PSR J1928+1815 脉冲的周期性消失（来源：Z. L. YANG et al. 2025）

周期性地出现这种现象，很容易就让人想到 这不是一颗孤立的毫秒脉冲星，而是一对双星。 有人说它们像一对舞者，跳着快速波尔卡。可是真实情况或许没有并没有那么浪漫。我们继续往下看。

不管怎样，正是因为伴星的遮挡，才会出现信号的“短暂”消失。但问题是，这个“暂时”似乎长了一些——伴星遮挡时间居然占据轨道周期的17%！ 什么恒星能“胖”成这样？？

脉冲星示意动画（来源：网络）

【这也不是那也不像】

又是毫秒脉冲星，又是相互绕转遮掩，这不就是一类特殊天体食双星毫秒脉冲星（eclipsing binary millisecond pulsars）吗？这类天体俗称蜘蛛类脉冲星（spider pulsar）。说到这，让我想起 2 年前写过的一篇科普文章《》，其中提到的脉冲星 PSR J1953+1844也是 FAST 发现的，其伴星质量在 0.047~0.097M⊙ 之间（怀疑处在从“红背蜘蛛”状态向“黑寡妇”状态演化的阶段 ）。

“黑寡妇”脉冲星系统演示动画（来源：NASA Goddard Flight Center）

这一次，为了搞清楚情况，天文学家对脉冲星 PSR J1928+1815 持续了 4.5 年的观测，并进行了模型拟合。首先，排除这颗伴星是白矮星或中子星的可能。如果严格按照定义来说，白矮星和中子星都不能算恒星，它们都是恒星“身后之物”，也就是残骸。它们都属于 致密星， 白矮星的质量不超过太阳 1.44 倍，体积和地球差不多；中子星在前文中已讲过，直径小如一座城市。因此，它俩都不可能对 PSR J1928+1815 形成长时间的遮挡。

地球、白矮星和中子星（来源：网络）

那么会不会是又一个“蜘蛛类脉冲星”呢？根据理论模型以及观测数据， PSR J1928+1815 的质量可能在1.1~2.2 M⊙之间（ M⊙是太阳质量的意思 ）。这样的话，根据距离、周期判断，伴星的质量将达到 1 M⊙ 以上，这就大大超过了“蜘蛛类脉冲星”伴星的质量上限。因此这种情况也被排除。

但是，伴星也不太可能是像太阳这样的恒星。轨道周期只有 3.6 小时，这意味着轨道半径只有 50 万公里。而我们的太阳半径有 70 万公里呢。换言之，这样一条致密轨道里是塞不进一颗普通恒星的。因此天文学家有理由怀疑伴星并不是普通恒星。（听上去好像是废话。然而科学就是一步一步在推理中得到一个最可能的结论。）

【衣服也不要了】

既不能是颗正常的成熟恒星，也不能是死亡后的致密星，那么是否可能正处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。主序星是一颗正处于稳定燃烧的壮年期恒星（因位于赫罗图主序而得名），例如我们的太阳就是一颗主序星。等太阳到了晚年，参与核聚变的氢消耗殆尽，内核收缩，外壳膨胀，看上去就“发福”了。太阳的未来可能膨胀到地球轨道附近，成为一颗红巨星。

赫罗图（来源：网络）

PSR J1928+1815 的伴星连太阳大小的恒星都不可能，那就更不可能是红巨星了，而应该是已经脱掉外衣——氢外壳——只剩下氦核（氢核聚变留下的产物） 的星。

它可能已经走过的红巨星的阶段，那时候它曾把脉冲星整个包裹起来，成为罕见的共包层双星（common envelope binary）。而脉冲星的前身是质量更大的 恒星 ，更早地走完了演化历程。在共包层双星阶段，脉冲星不断吸积伴星的氢壳层。根据理论，获得能量补充的脉冲星，旋转速度 也得到进一步提升，从而形成了毫秒脉冲星，双星轨道也随之收缩。

最后的结果只有两种：要么两颗星剧烈地撞在一起，形成新的中子星，或者同归于尽变成黑洞；要么共有包层被抛射 ，伴星彻底变成“光膀子”的氦星。

共包层密近双星的演化（来源： Charles University ）

【极为罕见】

这种场景不能算很少见，而是极为罕见！

天文学家通过模拟发现，要让脉冲星自转速度加快到 10.55 毫秒，那么它至少从伴星身上吸积了至少 0.01 个太阳质量的物质。两颗星共有包层的时间不超过 1000 年。即便处在现在这种毫秒脉冲星+氦星的状态，时间上也不过是1000 万年，这对数亿十年寿命的恒星而言，只是一个很短的片段。

更重要的是，天文学家计算表明，一个毫秒脉冲星加上一个质量为 1.1~2.2 M⊙ 的氦星，并且处于轨道周期 0.1~0.2 天的，这样的组合出现的概率仅为每百万年 1.3~7.2 个，也就是说，整个银河系中估计只有 16~84 个这样的密近双星系统！银河系恒星数在 3000亿~4000亿，比牛毛还多，发现一例是不是堪比彩票中了头奖？

洛希瓣溢流Roche-lobe overflow

PSR J1928+1815 掩食脉冲星双星系统演化示意图。它们最有可能经历了以下过程：Ⅰ. 中子星+主序星阶段； Ⅱ. 中子星+氢洛希瓣溢流（ Roche-lobe overflow ）阶段； Ⅲ . 中子星+共包层（common envelope）阶段。当前位于 Ⅳc. 中子星+氦星阶段。未来可能经历 Ⅴ. 第二次中子星+氦洛希瓣溢流阶段； Ⅵ. 中子星+白矮星阶段 （来源： Z. L. YANG et al. 2025 ）

天文学家继续推测，未来，随着氦的继续燃烧，这对双星又将进入持续约 10 万年的物质交换，脉冲星的自转速度可能再次提升。到最后，它们将 构成分离式的密近双星，分别为1.41 倍太阳质量的毫秒脉冲星 + 0.82倍太阳质量的碳氧白矮星，轨道周期为 6.2 小时。

“中国天眼”的这项发现因其独特性而具有极高的科学价值。它将有助于我们深入理解双星演化的具体过程，尤其是两颗星如何接近继而导致轨道收缩、如何产生引力波、密近双星之间如何进行物质交流、毫秒脉冲星如何形成、共有包层何时以及如何被吹散、氦星形成过程等一系列的问题。

科学研究需要孜孜不倦，也要连连好运。

本次发现宣传海报（来源：中国科学院国家天文台）

参考资料：

[1] 中国科学家发现罕见掩食脉冲星(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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