中国天眼捕获“三体”
中国天眼捕获“三体”
中欧团队独立证实首例原生演化脉冲星三体系统
近期，中国科学院国家天文台研究员韩金林带领国内多家单位的研究人员，结合中国天眼（FAST）射电观测数据与国际上光学和伽马射线望远镜的多波段天文数据，揭示FAST发现的脉冲星J0435+3233属于首例尚在演化阶段的原生三体，这也是迄今第二例被确认的脉冲星三体系统。相关研究成果10月9日发表于《天体物理学杂志快报》。
与此同时，由德国、荷兰、法国、英国四个国家的科学家组成了欧洲团队，也独立分析类似的档案数据获得同样的结论。
研究示意图。图片版权：Produced by Bureau of International Cooperation, Chinese Academy of Sciences 中国科学院国际合作局出品
脉冲星的“三体世界”
脉冲星是大质量恒星演化到末期发生超新星爆炸后，核心坍缩形成的中子星。它体积极小、密度极高，自转极快，并沿磁轴方向发射周期性射电束；当射电束扫过地球时，望远镜就会收到一个个规律脉冲，因此得名“脉冲星”。
根据系统中天体的数量，脉冲星系统可以分为单星脉冲星、双星脉冲星和脉冲星三体系统。其中，大多数射电脉冲星是单星，在毫秒脉冲星中双星比例较高。相比之下，脉冲星三体系统最为罕见。
在天文学家看来，脉冲星三体系统是检验强等效原理等基础引力理论的天然实验室，但这类系统形成和存活条件极其苛刻，长期以来可遇不可求。
在本次发现之前，除脉冲星的行星系统之外，人类发现的唯一一例脉冲星三星系统是美国团队于2014年利用美国绿岸射电望远镜（GBT）巡天发现的。这一三星系统由一颗脉冲星和两颗白矮星构成，三颗星都已演化终结。
它如同已经尘埃落定的三体世界，三颗星走完了各自的演化历程，只剩下致密星在引力作用下稳定共舞。
那么，有没有“活着”的脉冲星三体世界？
令全球同行震惊的观测数据
2020年6月8日，在FAST的帮助下，国家天文台漂移扫描巡天团队发现了一颗新的脉冲星J0435+3233，其自转周期仅3.2毫秒。
随后，新疆天文台后随观测团队利用FAST接续开展了长达五年的持续监测，成功获取192次测量结果。
数据分析揭示出，这颗脉冲星与一颗白矮星相互绕转，以8天为周期沿圆形轨道环绕共同质心运行。这看起来是一个典型的毫秒脉冲星-白矮星双星系统。然而，这颗脉冲星的自转周期每年增加1纳秒，比同类型的脉冲星高出两个量级。
对于对毫秒脉冲星来说，自转周期通常极其稳定，计时精度可以媲美原子钟。如此大的周期变化率，远超常规双星模型所能解释的范围。这一异常观测数据让全球同行感到震惊：如果它只是一颗脉冲星加一颗白矮星，那究竟是什么在“拖慢”它？
2026年4月，这一阶段成果发表于《自然—天文》。
原生“三胞胎”现身
正是这一异常，促使韩金林团队和欧洲团队独立展开了第二阶段探索。为了找到这一异常的原因，韩金林团队联合国内多家单位，独立分析了来自多个望远镜的数据，包括FAST的射电波段、盖亚卫星（Gaia）、2微米全天巡天（2MASS）和泛星计划（Pan-STARRS）的开放档案数据，并结合费米卫星18年累积的160个有效伽马光子开放数据。
最终，他们锁定了此前被忽略的“第三者”：一颗与太阳质量几乎相同的类太阳恒星。它以73.5年为周期、偏心率0.6的偏心轨道，环绕脉冲星-白矮星双星系统运动。
韩金林解释：“正是这颗恒星作为三体伴星，引发了早先FAST测量到的脉冲星自转周期的异常增大。”
在科研团队看来，由于该三体系统的第三天体为正在演化的恒星，所以这个三星系统极其独特。
韩金林介绍，依据恒星演化理论推断，该三体系统源于同一个云团中形成的原生“三胞胎”。其中，质量最大的恒星形成初期，其质量大约为太阳质量的二十倍，目前已演化终结，形成了现有的脉冲星。被称作“二弟”的恒星刚形成时的初始质量为数倍太阳质量，也已演化终结，成为陪伴脉冲星的白矮星。质量最小的“三弟”约为一倍太阳质量，且与另外两颗恒星间距较远，未曾受到二者早期超新星爆炸的显著影响，目前仍处于平稳演化的“鲜活”状态。
科研人员推测，将来经过漫长的演化，恒星“三弟”也终将熄灭，三体系统将变成由一颗脉冲星和两颗白矮星组成的长期稳定三体系统。
由德国、荷兰、法国、英国四个国家的科学家组的欧洲团队也获得了相同的结论。
中国团队则充分考虑了三星系统内交互的引力作用以及多种相对论效应，他们确定的三体绕转几何构型和三星轨道参数的精度比欧洲团队好一个量级；他们还结合FAST射电数据和费米卫星数据，精确测定了三体成员天体的质量。
韩金林指出，该原生演化三体系统具备清晰且显著的三体引力交互效应，是验证强等效原理等基础引力理论的优质天然观测平台，为人类深入剖析三星系统的复杂演化机制、探索极端环境下的天体物理规律，提供了极具科研价值的珍贵样本。
该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国科学院建制化科研项目的支持。
相关论文信息：https://doi.org/10.3847/2041-8213/aeaa29