2.36 小时绕一圈，总质量 2.488 个太阳：中国天眼逮到人类已知最轻的一对中子星

9 月 16 日，中国科学院国家天文台发布消息：韩金林研究员领衔的 FAST 银道面脉冲星巡天团队，用"中国天眼"发现了一个双中子星系统，编号 PSR J1856-0039。

这个系统有两个数字值得单独拿出来看。轨道周期 2.36 小时，在人类已知的双中子星系统里排第二短；两颗星加起来总质量 2.488 倍太阳质量，是人类迄今找到的最轻的一对。

研究成果 9 月 15 日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（PRL）上，并被期刊编辑遴选为重点推介成果。

先弄清楚：双中子星为什么这么难找

中子星是大质量恒星"死"后留下的残骸。直径大约 20 公里，却装着比太阳还多的质量。它自转规律稳定，发出的射电脉冲准时到可以当钟用，所以业内一直叫它"宇宙精密时钟"。

双中子星就是两颗这样的天体互相绕转。听起来不算稀奇，但实际上人类到今天也只确认了约 30 例。

原因在形成条件。一对大质量恒星要先经历两次超新星爆发，才可能留下一对中子星。两次爆炸都得"恰好"不把整个系统炸散，任何一次把双星踢开，这个系统就不存在了。条件苛刻，所以罕见。

罕见只是它的一部分价值。两颗中子星互相绕转会持续辐射引力波，能量一点点被带走，轨道慢慢收缩，最终并合。金、铂这类重元素主要就在这个并合过程中产生——"宇宙里的金子从哪来"，这是主流答案之一。同时，轨道越短、两颗星靠得越近，引力场越强，广义相对论的效应就越明显，等于把一个极端引力的实验场直接送到望远镜面前。

2.36 小时转一圈，这两颗星挨得有多近

轨道周期 2.36 小时意味着两件事：两颗中子星的间距极小，绕转速度极快。

在这个系统里，可见脉冲星的质量约 1.30 倍太阳质量，伴星的质量约 1.19 倍太阳质量，两者相差不大。

1.19 这个数字需要单独说。中子星存在一个理论上的质量下限，比这更轻的恒星残骸根本撑不成中子星这个形态。这颗伴星已经逼近那条线，跻身人类已知最轻的中子星之列。

它对超新星爆发研究的价值就在这里：一颗恒星要炸成这么轻的中子星，中间必须发生特定的质量损失过程。观测到的质量越小，对爆炸机制的约束就越紧。研究团队把这类系统看作是检验爆炸物理的直接样本。

爱因斯坦的预言，这次被量到了千分之九的精度

极短的轨道周期带来极强的引力环境。研究团队在这个系统里测到了四项广义相对论预言的效应。

第一项，椭圆轨道近星点的进动。两颗星互相绕转的椭圆轨道本身也在缓慢旋转，方向随时间改变。

第二项，强引力场造成的引力红移。从伴星附近逃出来的光，波长被拉长、频率变低。

第三项，时间膨胀。处在更强引力场里的信号，时间走得比外面慢一点。

第四项，轨道周期衰减。系统持续辐射引力波，能量不断流失，两颗星越靠越近，转一圈用的时间随之缩短。

第四项是最硬的检验。团队测出的轨道周期衰减速率，与广义相对论的理论预测值之比是 1.009±0.014。换算下来，观测和理论的偏差不到 1%。

引力波早在 2015 年就被人类直接探测到了，双中子星并合的引力波则在 2017 年被观测到，那是第一次。但对于逐个双中子星系统来说，轨道衰减的测量仍然是检验引力理论最直接的方式之一——因为它把"引力波带走能量"这件事，落到了具体某两颗星的轨道变化上。

8200 万年后，它们会撞在一起

按研究团队的模型推演，这个系统大约 8200 万年后发生并合，最终大概率形成一颗质量更大的中子星，而不是直接塌缩成黑洞。

这两条演化路径的区别，直接关系到中子星内部究竟处在什么物态。中子星内部的物质状态（物态方程）是天体物理里长期没有解决的问题：地球上的实验室做不出那种密度和压力，只能从天文观测反推。质量测得越准，反推的约束就越强。这次两颗星的质量都被量到了小数点后两位，价值就在这里。

下一步是测"参考系拖拽"

研究团队提到，这个系统还有一个别的系统不具备的优势：轨道倾角小、轨道周期短，是探测参考系拖拽效应的理想目标。

参考系拖拽是广义相对论的另一个预言：一个自转的天体，会拖着自己周围的时空一起转动。中子星自转极快、密度极高，这个效应最应该在它身上显形。但要在双中子星系统里测到它，需要轨道足够紧、倾角足够合适。目前已知的双中子星里，只有一两例被认为有这个潜力，PSR J1856-0039 就是其中之一。

如果能测出来，下一步就能定出中子星的转动惯量。转动惯量跟内部物质怎么分布直接相关，这又是理解中子星内部结构的一条独立路径。

FAST 已经发现约 900 颗脉冲星，筛选才刚开始

这次发现依托的是 FAST 的超高灵敏度。它是目前全球灵敏度最高的单口径射电望远镜，配 L 波段 19 波束制冷接收机，加上团队自主研发的快照观测模式，在大范围银道面上做系统性搜寻。

从投入运行到现在，FAST 累计发现约 900 颗新脉冲星。PSR J1856-0039 就是从这批样本里筛出来的特殊系统之一。脉冲星巡天的逻辑就是这样：先用灵敏度把样本量堆起来，再从样本里挑出能回答具体科学问题的那几个。

双中子星系统在全宇宙只找到约 30 例，这个数字本身就说明了筛选难度。中国天眼这次做的，是在这个极小的样本池里又添了一例——而且是两个纪录同时占上的那一例。

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