浩瀚银河系内，大多数恒星是成对出现，以双星系统的形式共同演化。这一系统如何交互和演化，一直是天文学领域的前沿难题。

近期，中国科学院国家天文台研究员韩金林带领的科研团队利用灵敏度极高的中国天眼FAST，发现了一个罕见的毫秒脉冲星。这颗脉冲星与其伴星以3.6小时的周期相互绕转，并且有六分之一的时间被其伴星遮挡。天文学家把这种现象称为“掩食”，类似日食、月食。

相关研究成果于北京时间5月23日在《科学》发表。科学家认为，这一发现对恒星演化理论、致密星吸积物理和双星并合引力波源研究具有重要意义。

研究成果示意图。国家天文台供图

缺乏观测证据的双星演化理论

对于双星系统，天文学家多年一直讨论它们在“公共包层”里如何演化。

科研团队介绍，这一过程一般发生在双星系统中质量较大的那颗恒星榻缩成密度极高的中子星或黑洞等致密星之后。此时，质量较小的伴星继续演化。“这颗伴星在演化时，其物质会被致密星吸积，伴星会因为质量流失而体积膨胀，甚至膨胀到把致密星‘揽入怀中’，一起在公共的氢元素包层中继续演化，持续约1千年。”韩金林表示。

这一过程中，具有强引力的致密星会继续“贪婪”地吸积伴星的物质，使其自转加快。同时，致密星与伴星相互绕转的过程中，把公共的氢包层全部“吹散”，只留下伴星中心燃烧的内核。这时的伴星主要靠燃烧的氦元素发光，温度有几万度。

千年之后，如果伴星的主体没有被致密星破坏，双星最终留下快速自转的致密星与致密星的高温氦核，在非常紧密的轨道上相互绕转。

令人遗憾的是，这类特殊的致密星加氦星的双星系统“可遇而不可求”——它们不仅“存活”的时间短，本身数量也很少。

科研团队介绍，它们在宇宙中存活时间仅约1000万年，对于138亿年的宇宙而言，如同夜空中稍纵即逝的流星。同时，银河系千亿颗恒星中，这样的系统在银河系中仅有几十个。

所以，这样的双星系统很难被观测到，让“公共包层”演化理论长期缺乏直接观测证据的支持。

FAST发现新奇现象

中国天眼FAST的灵敏度极高，是发现脉冲星的利器，对观察处于极短周期轨道上的脉冲星更为敏锐。

2020年5月，韩金林研究员带领团队利用FAST对银河系进行脉冲星深度搜索时，发现了一颗自转周期为10.55毫秒的毫秒脉冲星PSR J1928+1815。

2020年11月，利用FAST进行了几次后随观测后，证实它处于一个半径仅50万公里的致密轨道，相互绕转的轨道周期仅为3.6小时。它与伴星相互绕转时，有大约六分之一的时间被伴星遮挡。

与此同时，科研人员推测，这个伴星的质量至少有1个太阳那么重，远超出一般掩食脉冲星的伴星，但狭小的轨道根本容不下一个像太阳这样的恒星。

种种证据表明，这颗脉冲星不同寻常。

他们推断，这一伴星不是普通恒星，也不是演化后的致密伴星，而是经历过公共包层演化的氦星。同时，脉冲星信号的“掩食”也是氦星甩出的星风物质遮挡引起的。

带来多方面突破

在最新发表的论文中，科研人员确认，这一双星系统就是双星公共包层演化阶段之后、处于致密轨道的特殊双星。

这令学者们感到振奋，这是天文学家寻求已久的“公共包层”演化理论的观测证据。

韩金林指出，这一罕见天体的发现可以为天文学研究带来多方面的突破。

“这项发现有助于完善和深化我们对双星演化具体过程的理解，比如两颗星如何靠近导致轨道收缩、两颗星之间如何进行物质交流、中子星的自转如何加速到几个毫秒，公共氢元素包层如何被致密星吹散，等等。”韩金林表示。

同时，进一步对这一双星系统开展研究，有望揭开致密星在公共包层里短时间如何吸积、如何散热之谜。科学家认为，新发现的这一双星系统还有可能为“中微子散热机制理论”提供重要例证。

此外，新发现的稀有双星可以演化成为引力波源，为致密双星并合和引力波的产生机制提供了新的限制条件。

该论文审稿人之一、美国国家射电天文台的脉冲星双星研究专家Scott Ransom对这项研究给予了高度评价。“这是个独特的致密双星系统具有极高的科学价值，有望加深我们对双星演化中公共包层阶段领域的认识。”他表示。

Scott Ransom同时指出，这项研究成果还可以在恒星群体演化、引力波源预测、双星和恒星演化过程、深度光学/红外的氦星观测等方面引导出诸多有趣的研究课题。

相关论文信息：http://doi.org/10.1126/science.ado0769