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中国天眼发现首个“活着的”脉冲星三体世界丨封面头条

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封面新闻记者 张峥 海报设计 王思祺


在刘慈欣的《三体》中,三体人生活在有三颗太阳的混沌世界里。如今,科幻照进现实:一个距离地球约6500光年的“三体”系统被确认。不过,它并非小说里三颗恒星混乱互绕的宇宙,而是一个层级分明、长期稳定的真实天体系统。相关研究成果于10月9日发表于国际学术期刊《天体物理学杂志快报》上。


杨宗霖 供图

中国科学院国家天文台韩金林团队利用中国天眼FAST,结合美国国家航空航天局费米卫星、欧洲航天局盖亚卫星等数据,首次确认了这个“活着的”脉冲星三体系统。10月13日,团队成员、国家天文台博士后杨宗霖接受封面新闻采访时表示,这个发现来自一个异常:2020年,FAST发现了一颗自转周期3.2毫秒的毫秒脉冲星,后续观测却发现它的自转周期变慢的速度“快得离谱”。经过精密计时计算,研究人员意识到,距离这颗脉冲星约30亿公里外,还有一颗正在演化的类太阳恒星,正用引力“拉扯”着它。

于是,一个真实的“三体之家”被科学家算了出来。



原生三口之家:

两颗已“死亡”,一颗尚在演化

脉冲星是大质量恒星演化到末期发生超新星爆发后留下的致密残骸,自转极快,能像灯塔一样规律地发出脉冲信号,是自然界最精准的“宇宙时钟”之一。

这套真实系统由FAST发现的脉冲星PSR J0435+3233、一颗白矮星伴星,以及一颗远处的类太阳恒星组成。内侧的脉冲星和白矮星彼此绕行一圈约需8天;更远处的类太阳恒星则以73.5年为周期,绕着这对“内层双星”运转。


第三颗星的光学图像 杨宗霖 供图

但它和《三体》小说里的“三颗太阳”有两点明显不同。小说中的三颗太阳都还在燃烧,而这里的中子星和白矮星,是恒星走完一生后留下的残骸;小说中的三体运动十分混沌,而这套系统的外侧恒星距离内侧双星较远,研究者认为这种相伴方式可以长期稳定维持。


“活着的”三体世界

被科学家算了出来

发现这个“三口之家”,有一个长达6年的故事。

2020年,毫秒脉冲星PSR J0435+3233由国家天文台漂移扫描巡天团队利用FAST发现,其自转周期仅3.2毫秒。此后,新疆天文台团队对它开展长期观测,发现它的自转周期变慢速度比同类脉冲星高出约两个数量级。这颗脉冲星的自转周期每年只增加1纳秒,也就是十亿分之一秒。然而,对毫秒脉冲星这种“宇宙原子钟”来说,这点变化已经异常明显,相当于一块本该分秒不差的表,突然开始以远超同类天体的速度变慢。

“周期变长并不一定意味着脉冲星自身转慢。如果附近还有第三颗星,它的引力就可能带动内侧双星相对地球运动,使脉冲信号到达地球的时间间隔发生变化。就像警车驶过时,警笛声会因运动而改变音调,双星系统的运动,也会改变脉冲信号的‘节奏’。”杨宗霖解释。新疆天文台的观测结果发表后,国家天文台韩金林团队意识到,异常可能并非来自脉冲星自身。于是团队把脉冲星自转周期和它与白矮星绕转周期这两个天然“时钟”放在一起比较,发现两者变化几乎同步。


杨宗霖 供图

顺着这条线索,研究人员怀疑远处还有第三颗星。为了确认它的身份,团队查阅光学观测档案,并在盖亚卫星数据中找到一颗与脉冲星位置相近的恒星。结合位置、运动和不同波段观测,最终确认它就是第三个成员——一颗质量与太阳几乎相同的类太阳恒星。

“最难忘的就是找到这颗恒星。它不仅补上了第三个成员,也已有丰富的观测记录,为我们研究这个系统提供了更多线索。”杨宗霖有些激动。

值得一提的是,这种“先发现异常,再用引力推算未知天体”的思路,在天文学史上并不陌生。十八、十九世纪,天文学家发现天王星轨道总是偏离理论预测,好像被外面一颗未知行星“拽”了一下。英国数学家亚当斯和法国天文学家勒维耶各自独立计算,推测出这颗行星可能所在的位置。德国柏林天文台的伽勒收到勒维耶的预测后,当晚就在预测位置附近发现了一颗星图上没有的天体——海王星。

这一次,科学家同样没有先“看见”第三颗星,而是先通过脉冲星这颗宇宙时钟的异常,算出了它的存在。


三个伙伴的合作

发现银河系中的脉冲星“三口之家”,离不开三个伙伴的共同合作:中国天眼FAST、美国国家航空航天局费米卫星,以及欧洲航天局盖亚(Gaia)卫星。

杨宗霖介绍,FAST记录的是中子星发出的脉冲信号,对脉冲星自转周期和它与白矮星的绕转周期进行精确测量,帮助确定脉冲星位置,并约束第三个成员的性质。盖亚卫星帮助确定这颗恒星与脉冲星在天空中的间距,以及整个系统到地球的距离。多台光学望远镜在不同波段的观测,则帮助判断它的类型和质量。费米卫星的测量精度不如FAST,但观测时间跨度更长,把更长时间的记录与FAST数据结合,有助于进一步推算外侧恒星的轨道。


“老三”不会“吃掉”老大和老二

这套真实的“三体”系统,未来会变成什么样?

杨宗霖介绍,外侧恒星到内侧双星的距离约30亿公里,相当于光在真空中走约1万秒的距离,接近太阳到天王星的距离。即使它演化到末期膨胀,也不会超出洛希瓣,因此几乎不会对另外两颗天体造成影响。“由于内外轨道周期相差很大,外侧恒星对内侧双星的影响只是微小扰动,系统能够长期保持稳定。”

未来,外侧恒星燃料耗尽、演化成白矮星时会损失质量,绕转周期也会进一步增加。到那时,它将变成一个由一颗脉冲星和两颗白矮星组成的长期稳定系统。

那么,继续研究这个脉冲星三体系统,还能帮助我们检验什么?

杨宗霖解释,光学观测发现过不少三星系统,但如果没有脉冲星作为“时钟”来测量运动,就很难用于引力理论研究。人类发现的第一个脉冲星三体系统PSR J0337+1715,提供了目前强场条件下强等效原理精度最高的检验。而这个新系统可以做类似工作。

“PSR J0337的内外轨道共面,外轨道接近圆形;而J0435的内外轨道不共面,外轨道是椭圆。外侧星提供的引力场强度和方向会随时间变化,这使得这个系统可以在更多维度检验等效原理的正确性。”杨宗霖说。

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